JP2023548090A - Optical device with electro-active lens - Google Patents

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Abstract

本開示は、眼鏡類において使用するための電気活性ユニットであって、この電気活性ユニットは、電気活性要素であって、電気活性要素は、第1および第2の光学的透明基板を含み、これらの間に、ネマチック液晶を含む少なくとも1つの液晶層およびフレネルレンズ構造が配置され、第1および第2の透明電極が、第1および第2の基板上にそれぞれ形成され、整列層は、第1の基板上に存在し、液晶層と接触し、ネマチック液晶を第1の方向に整列するように構成される、電気活性要素と、第1の方向に垂直である第2の方向において偏光を有する光を調整するように構成されている偏光要素と、を備え、液晶層の液晶は、モーガンレジーム内にある、電気活性ユニットに関する。The present disclosure relates to an electro-active unit for use in eyewear, the electro-active unit comprising an electro-active element, the electro-active element comprising first and second optically transparent substrates; At least one liquid crystal layer comprising a nematic liquid crystal and a Fresnel lens structure are disposed between, first and second transparent electrodes are formed on the first and second substrates, respectively, and the alignment layer is arranged on the first and second substrates. an electroactive element present on the substrate, in contact with the liquid crystal layer, and configured to align the nematic liquid crystal in a first direction, and having polarized light in a second direction that is perpendicular to the first direction. a polarizing element configured to condition the light, the liquid crystal of the liquid crystal layer being in the Morgan regime and relating to an electroactive unit.

Description

本開示は、眼鏡類において使用するための光学デバイスに関し、この光学デバイスは、光の調整可能な透過のための第1の電気活性レンズを含む。本開示は、そのような光学デバイスを含むレンズユニット、光学デバイスが設けられたフレームを含む眼鏡、および光学デバイスを動作させる方法にも関する。 The present disclosure relates to an optical device for use in eyewear that includes a first electro-active lens for adjustable transmission of light. The present disclosure also relates to lens units including such optical devices, eyeglasses including frames provided with optical devices, and methods of operating optical devices.

液晶(LC)層およびフレネルレンズ構造を電気活性レンズの一部として備える光学デバイスは、レンズの光軸方向におけるLCの屈折率とレンズの屈折率とが一致する状態から、光軸に垂直な方向の屈折率とレンズの屈折率とが一致しない状態に切り替えられ得る。この後者の状態では、レンズは、偏光角がLC整列(LC alignment)に依存している偏光に対してオンになる。液晶レンズは、全体を液晶から作られたレンズ、または液晶を充填された等方性材料から作られたレンズであってよい。 An optical device comprising a liquid crystal (LC) layer and a Fresnel lens structure as part of an electro-active lens is capable of moving from a state in which the refractive index of the LC in the direction of the optical axis of the lens matches that of the lens, to a state in which the refractive index of the LC in the direction of the optical axis of the lens matches, The refractive index of the lens may be switched to a state where the refractive index of the lens does not match the refractive index of the lens. In this latter state, the lens is turned on to polarized light whose polarization angle depends on the LC alignment. A liquid crystal lens may be a lens made entirely of liquid crystals or a lens made of an isotropic material filled with liquid crystals.

そのようなレンズを自然光などの非偏光に好適なレンズにするために、いくつかのアプローチが提案されている:
1. 各レンズ内の液晶の整列状態が互いに垂直になるように2つの類似のレンズを互いの上に積み重ねる(特許文献1)。
2. レンズをある配向の直線偏光子と組み合わせて使用する(特許文献2)。
Several approaches have been proposed to make such lenses suitable for non-polarized light such as natural light:
1. Two similar lenses are stacked on top of each other such that the liquid crystal alignment within each lens is perpendicular to each other (Patent Document 1).
2. A lens is used in combination with a linear polarizer in a certain orientation (Patent Document 2).

液晶焦点可変レンズ(liquid crystal tunable lens)に関するいくつかの特許文献では、レンズスタッキング(lens stacking)について説明しているが、平面整列を使用する傾向があり、LCキャビティ内のフレネルレンズ構造が互いに関してどのように配向されているかを考慮していない。たとえそうであったとしても、フレネルレンズ構造は、概して、表面が同じ方向に配向された状態で積み重ねられる。たとえば、特許文献3、特許文献4、特許文献5、特許文献6、特許文献1、または特許文献2を参照されたい。 Some patent literature on liquid crystal tunable lenses describes lens stacking, but they tend to use planar alignment, where the Fresnel lens structures within the LC cavity are aligned with respect to each other. It does not take into account how it is oriented. Even so, Fresnel lens structures are generally stacked with the surfaces oriented in the same direction. For example, see Patent Document 3, Patent Document 4, Patent Document 5, Patent Document 6, Patent Document 1, or Patent Document 2.

本開示は、垂直整列液晶と組み合わされた等方性高分子材料から作られた電気活性レンズに関する。このタイプの電気活性レンズは、たとえば特許文献7から知られている。これらの知られている電気活性レンズは、多くの欠点を有する。たとえば、光軸に垂直な平面内の配向は、光学デバイス内のレンズの構造に影響される。この配向は、光学デバイスの異なる部分で異なる。したがって、上述のアプローチでは、デバイスは、いくつかの部分において、拡大像だけでなく非拡大像も伝える。これは二重像を引き起こす。 The present disclosure relates to electro-active lenses made from isotropic polymeric materials combined with vertically aligned liquid crystals. Electro-active lenses of this type are known, for example, from US Pat. These known electro-active lenses have a number of drawbacks. For example, orientation in a plane perpendicular to the optical axis is influenced by the structure of the lenses within the optical device. This orientation is different in different parts of the optical device. Thus, in the above-described approach, the device conveys in some parts not only a magnified image but also a non-magnified image. This causes double vision.

二重像は、ホメオトロピック配向液晶の傾斜角が小さく、軸外(一方向傾斜配向に関して)局所レンズ表面傾斜が大きいときに、電気活性ユニットのオン状態で出現する。 A double image appears in the on-state of the electroactive unit when the tilt angle of the homeotropically aligned liquid crystal is small and the off-axis (with respect to unidirectionally tilted alignment) local lens surface tilt is large.

等方性高分子レンズおよび塗布済み垂直整列液晶からなる切り替え可能レンズが、特許文献7から知られている。このレンズは、1枚の基板上に高分子層をインプリントすることによって作られる。このプロセスでは、スペーサも形成され、これにより第2の基板をレンズから一定の距離に保つ。透明電極で覆われた基板間のキャビティは液晶で満たされる。基板に沿って、液晶の配向は、いくつかの要因によって決定される。オフ状態での配向は、整列層として働くポリイミド層によって制御される。一般に、この層は、液晶ダイレクタ(液晶ダイレクタは、液晶分子の長分子軸の平均方向として定義される)を表面に対して均質的に垂直に配向し、これは垂直整列とも呼ばれる。次いで、電圧が電極上に印加された場合、液晶は表面に沿った平面内でランダムに再配向する。基板上の整列層をこすると、たとえばポリイミド被覆基板をこすると、その結果、オフ状態での垂直配向からのダイレクタの小さいずれが生じる。電気活性レンズ内の配列層をこすること(または光整列などの類似の技術)によりプレチルトを含める概念の追加の説明は、特許文献8において提示されており、その内容は参照により本明細書に組み込まれている。 A switchable lens consisting of an isotropic polymer lens and a coated vertically aligned liquid crystal is known from US Pat. This lens is made by imprinting a polymer layer onto a single substrate. A spacer is also formed in this process, which keeps the second substrate at a constant distance from the lens. The cavity between the substrates covered with transparent electrodes is filled with liquid crystal. The alignment of liquid crystals along the substrate is determined by several factors. Orientation in the off-state is controlled by a polyimide layer that acts as an alignment layer. Generally, this layer orients the liquid crystal directors (liquid crystal director is defined as the average direction of the long molecular axes of the liquid crystal molecules) homogeneously perpendicular to the surface, also referred to as vertical alignment. When a voltage is then applied on the electrodes, the liquid crystals reorient randomly in a plane along the surface. Scraping an alignment layer on a substrate, for example a polyimide coated substrate, results in a small deflection of the director from its vertical orientation in the off state. Additional explanation of the concept of including pre-tilt by scraping alignment layers (or similar techniques such as optical alignment) in electro-active lenses is presented in US Pat. It has been incorporated.

ダイレクタのずれは、こする方向に関係し、プレチルトと呼ばれる。電圧が印加されると、レンズと反対側の基板上の配向は、こする方向のみによって決定される。レンズを有する基板上では、状況はより複雑になる。液晶ダイレクタの配向は、こする方向、さらにはレンズ表面の幾何学的形状にも影響される。レンズ表面の配向は異なる位置では異なるので、液晶ダイレクタもレンズ基板上では不均一になる。これが、いくつかの部分においてダイレクタの配向は頂部基板と底部基板とでは異なり、ダイレクタのねじれが生じる理由である。類似の整列(すなわち、好適なプレチルトの適用)は、光整列技術によって達成され得ることに留意されたい。 The misalignment of the director is related to the direction of rubbing and is called pretilt. When a voltage is applied, the orientation on the substrate opposite the lens is determined solely by the rubbing direction. On substrates with lenses, the situation becomes more complicated. The orientation of the liquid crystal director is influenced by the rubbing direction and also by the geometry of the lens surface. Since the orientation of the lens surface is different at different locations, the liquid crystal director will also be non-uniform on the lens substrate. This is why in some parts the orientation of the director is different between the top and bottom substrates, resulting in twisting of the director. Note that similar alignment (i.e., application of a suitable pretilt) can be achieved by optical alignment techniques.

米国特許出願公開第201715787082号US Patent Application Publication No. 201715787082 米国特許第4190330号U.S. Patent No. 4190330 米国特許出願公開第20070216851号US Patent Application Publication No. 20070216851 米国特許第9448456号US Patent No. 9448456 米国特許第9690116号US Patent No. 9690116 米国特許第10863949号US Patent No. 10863949 米国特許第8587734号US Patent No. 8,587,734 国際公報第2019/038439号International Publication No. 2019/038439 国際公報第2019/101966号International Publication No. 2019/101966 米国特許第7724347号US Patent No. 7,724,347

V.G. Chigrinovら「Photoalignment of liquid crystal materials: Physics and applications」V. G. Chigrinov et al. “Photoalignment of liquid crystal materials: Physics and applications” Gooch, C.H.およびH.A. Tarry.「The optical properties of twisted nematic liquid crystal structures with twist angles less than or equal to 90 degrees」Applied Physics Vol.8(1975年):1575~1584頁Gooch, C. H. and H. A. Tarry. “The optical properties of twisted nematic liquid crystal structures with twisted angles less than or equal to 90 degrees s” Applied Physics Vol. 8 (1975): pp. 1575-1584.

本開示の目的は、改善された光学的品質、および/または二重像の発生リスクの低減を提供する少なくとも1つの調整可能な電気活性レンズを含む光学デバイスを提供することである。 It is an object of the present disclosure to provide an optical device that includes at least one adjustable electro-active lens that provides improved optical quality and/or reduced risk of double imaging.

さらなる目的は、電気活性レンズによって集光または分散される光が非偏光である場合に、光学的品質を改善し、二重像などの光学的アーティファクトの発生を低減することである。 A further objective is to improve the optical quality and reduce the occurrence of optical artifacts such as double images when the light collected or dispersed by the electro-active lens is unpolarized.

第1の態様によれば、眼鏡類において使用するための光学デバイスが提供され、光学デバイスは、光の調整可能な集光または分散のための第1の電気活性レンズを備え、電気活性レンズは
- 第1および第2の光学的透明基板であって、第1および第2の光学的透明基板は、互いに概して平行に延在し、軸方向(z)および横断方向(x,y)を定める、基板と、
- 第2の光学的透明基板の側で第1の光学的透明基板と第2の光学的透明基板との間に配置された、フレネルレンズ構造などの回折レンズ構造と、
- 第1の光学的透明基板上に形成された第1の光学的透明電極および第2の光学的透明基板上または回折レンズ構造上に形成された第2の光学的透明電極と、
- 第1の光学的透明基板と第2の光学的透明基板との間の封止されたキャビティ(108)であって、封止されたキャビティ内において、回折構造およびネマチック液晶(LC)材料の少なくとも1つのLC層が配置され、ネマチック液晶(LC)材料中の液晶がオフ状態で概して軸方向に整列され、
第1の光学的透明電極は、LC層と接触する接触表面を有し、オフ状態でプレチルトを導入することによりオン状態でネマチック液晶材料中の液晶を第1の水平方向に直線的に整列させるように構成されている整列層を備える、封止されたキャビティ(108)と、
第1の水平方向に垂直である第2の水平方向において偏光を有する光を調整するように構成されている偏光要素と、を備え、
ネマチック液晶材料のLC層は、第1の光学的透明電極に最も近い回折レンズ構造の部分と、第1の光学的透明電極上の整列層の接触表面との間で測定された、厚さ(D)を有し、
厚さ(D)は、条件1<(πD(n-n)/(φλ)<200を満たすように選択され、nは、LC層の常光屈折率であり、nは、LC層の異常光屈折率であり、φは、LC層の液晶ダイレクタのねじれ角であり、λは、光の波長であり、波長λは、350nmから750nmの範囲内である。
According to a first aspect, an optical device for use in eyewear is provided, the optical device comprising a first electro-active lens for tunable focusing or dispersion of light, the electro-active lens comprising: - first and second optically transparent substrates, the first and second optically transparent substrates extending generally parallel to each other and defining axial (z) and transverse directions (x,y); , a substrate;
- a diffractive lens structure, such as a Fresnel lens structure, arranged between the first optically transparent substrate and the second optically transparent substrate on the side of the second optically transparent substrate;
- a first optically transparent electrode formed on a first optically transparent substrate and a second optically transparent electrode formed on a second optically transparent substrate or on a diffractive lens structure;
- a sealed cavity (108) between the first optically transparent substrate and the second optically transparent substrate, in which the diffractive structure and the nematic liquid crystal (LC) material are arranged; at least one LC layer is disposed, the liquid crystals in the nematic liquid crystal (LC) material being generally axially aligned in an off state;
The first optically transparent electrode has a contact surface in contact with the LC layer to linearly align the liquid crystals in the nematic liquid crystal material in the on state in the first horizontal direction by introducing a pretilt in the off state. a sealed cavity (108) comprising an alignment layer configured to;
a polarizing element configured to condition light having a polarization in a second horizontal direction that is perpendicular to the first horizontal direction;
The LC layer of nematic liquid crystal material has a thickness ( D) has
The thickness (D) is selected to satisfy the condition 1<(πD(n e −n o )/(φλ)<200, where n o is the ordinary refractive index of the LC layer and n e is the LC layer is the extraordinary refractive index of the layer, φ is the twist angle of the liquid crystal director of the LC layer, and λ is the wavelength of the light, where the wavelength λ is in the range from 350 nm to 750 nm.

ねじれ角は、0から180度の範囲内にあるものとしてよい。 The twist angle may be in the range of 0 to 180 degrees.

整列層によって、および存在する場合には、以下で説明されるさらなる整列層によって引き起こされるプレチルトは、完全な軸方向整列の比較的小さいずれをもたらす。本開示の実施形態では、プレチルト(完全な軸方向(垂直)整列からの小さいずれを定める)は、典型的には、軸方向(z-)に関して1から6度の間で変化する。同じ発明者らによって出願された特許文献8も参照され、小さなプレチルトを含めることがオフ状態およびオン状態におけるLC材料の適切な整列をどのように補助し得るかについてさらなる説明が提供される。 The pre-tilt caused by the alignment layer, and if present, further alignment layers described below, results in relatively small deviations from perfect axial alignment. In embodiments of the present disclosure, the pretilt (defining a small deviation from perfect axial (vertical) alignment) typically varies between 1 and 6 degrees with respect to the axial (z-) direction. Reference is also made to US Patent Application Publication No. 2003/0000000, filed by the same inventors, which provides further explanation of how including a small pretilt may aid in proper alignment of the LC material in the off and on states.

この条件が満たされたときに、液晶層の液晶は、液晶層内で導波が行われるようにモーガンレジーム(Mauguin regime)内にうまく収まっている。これは、光学デバイス内を進む光の直線偏光を維持することを可能にする。さらに、特定の直線的整列方向は、第1の光学的透明電極の整列層を使用することによって第1の光学的透明電極に適用され得るので、表面光学デバイス上で一様な光学デバイスの好適な応答が達成され得る。それに加えて、直線偏光を維持することによって、二重像などの不要なアーティファクトをフィルタで除去することが可能である。フィルタで除去することは、いくつかの実施形態では、光学デバイス内に直線偏光子を入れることによって達成され得るが、他の実施形態では、以下で説明されるように、第1の電気活性素子の上に積み重ねられた第2の電気活性レンズを提供することによって達成される。たとえば、本開示の実施形態において、上述の偏光要素は、第1の直線偏光を有する光が通過することを許し、第1の直線偏光に垂直な第2の直線偏光を有する光を実質的に遮断するように構成された偏光子(好ましくは直線偏光子)を含む。代替的に、またはそれに加えて、本開示の他の実施形態では、上述の偏光要素は、第1の電気活性レンズ上に積み重ねられた、好ましくは第1の電気活性レンズに類似する、第2の電気活性レンズを含む。 When this condition is met, the liquid crystal of the liquid crystal layer is well within the Mauguin regime so that waveguiding within the liquid crystal layer takes place. This allows maintaining the linear polarization of the light traveling within the optical device. Furthermore, a specific linear alignment direction can be applied to the first optically transparent electrode by using an alignment layer of the first optically transparent electrode, thus making it suitable for uniform optical devices on the surface optical device. A good response can be achieved. In addition, by maintaining linear polarization, it is possible to filter out unwanted artifacts such as double images. Filtering may, in some embodiments, be accomplished by including a linear polarizer within the optical device, while in other embodiments, the first electro-active element, as described below. This is achieved by providing a second electro-active lens stacked on top of the lens. For example, in embodiments of the present disclosure, the polarizing element described above allows light having a first linear polarization to pass through and substantially transmits light having a second linear polarization perpendicular to the first linear polarization. A polarizer (preferably a linear polarizer) configured to block the polarizer. Alternatively, or in addition, in other embodiments of the present disclosure, the polarizing element described above comprises a second electro-active lens, preferably similar to the first electro-active lens, stacked on the first electro-active lens. including an electro-active lens.

本明細書において定義される光学デバイスは、実質的に平坦であり、概して互いに対して平行に延在するように配置される第1のおよび第2の基板、ならびに/または第1のもしくは第2の整列層を備え得る。これらの実施形態において、軸方向整列は、平坦な基板および/または平坦な整列層が水平方向に延在するように配置されているときの垂直整列に対応する。他の実施形態では、第1のおよび第2の基板ならびに/または第1のもしくは第2の整列層は、湾曲要素であってもよく、これらの湾曲要素は、それでもなお互いに概して平行に延在するように配置される。これらの実施形態において、ネマチック液晶(LC)材料の軸方向整列は、封止されたキャビティに面する基板/整列層の表面に対して局所的に垂直である方向の整列を定める。言い換えると、表面のすべて場所において、基板/整列層の表面の局所的配向に垂直な方向である軸方向が定義され得る。この方向は、概して、表面上の異なる配置に対して異なる。したがって、湾曲した基板および整列層を有する実施形態において、「垂直整列」ではなくむしろ「軸方向整列」に言及することが好ましい。 Optical devices as defined herein include first and second substrates that are substantially planar and arranged to extend generally parallel to each other; alignment layer. In these embodiments, axial alignment corresponds to vertical alignment when the flat substrate and/or the flat alignment layer are arranged to extend horizontally. In other embodiments, the first and second substrates and/or the first or second alignment layer may be curved elements that still extend generally parallel to each other. It is arranged so that it exists. In these embodiments, the axial alignment of the nematic liquid crystal (LC) material defines an alignment in a direction that is locally perpendicular to the surface of the substrate/alignment layer facing the sealed cavity. In other words, at every location on the surface, an axial direction can be defined that is a direction perpendicular to the local orientation of the surface of the substrate/alignment layer. This direction is generally different for different placements on the surface. Therefore, in embodiments having curved substrates and alignment layers, it is preferred to refer to "axial alignment" rather than "vertical alignment."

オフ状態で液晶を軸方向(垂直方向)に整列させるために回折レンズ構造上に整列層が概して必要であるが、方向性プレチルトを導入することは厳密には必要でない。オン状態では、一様でないダイレクタプロファイルが回折レンズ構造に存在し、そのため局所的回折レンズ構造に大きく依存する様々なねじれ角が生じる。しかしながら、第1の光学的透明電極上の整列層の直線的整列方向と同じ横断(水平)方向にプレチルトを導入することは、概して、ねじれ角の値を小さくし、それによりモーガン条件値を大きくする。これは、より良好な光学性能をもたらす。 Although an alignment layer is generally required on the diffractive lens structure to axially (vertically) align the liquid crystal in the off-state, it is not strictly necessary to introduce a directional pretilt. In the on state, a non-uniform director profile exists in the diffractive lens structure, resulting in different twist angles that are highly dependent on the local diffractive lens structure. However, introducing a pretilt in the same transverse (horizontal) direction as the linear alignment direction of the alignment layer on the first optically transparent electrode generally reduces the value of the twist angle, thereby increasing the Morgan condition value. do. This results in better optical performance.

本開示全体を通して、ネマチック液晶(LC)材料中の液晶に言及するときに、概して軸方向に整列されていることは液晶の実質的部分が一軸方向に整列されていることを意味する。 Throughout this disclosure, when referring to liquid crystals in nematic liquid crystal (LC) materials, generally axially aligned means that a substantial portion of the liquid crystals are uniaxially aligned.

本開示の実施形態によれば、第2の光学的透明基板の側において第1の光学的透明基板と第2の光学的透明基板との間に配置されている回折レンズ構造は、第2の光学的透明層に配置される。第2の光学的透明電極は、回折レンズ構造上に形成されてもよい。本開示の実施形態によれば、第2の光学的透明基板の側において第1の光学的透明基板と第2の光学的透明基板との間に配置されている回折レンズ構造は、第2の光学的透明電極に配置され、第2の光学的透明電極は第2の光学的透明基板上に配置される。 According to embodiments of the present disclosure, the diffractive lens structure disposed between the first optically transparent substrate and the second optically transparent substrate on the side of the second optically transparent substrate is arranged on the side of the second optically transparent substrate. Disposed in an optically transparent layer. A second optically transparent electrode may be formed on the diffractive lens structure. According to embodiments of the present disclosure, the diffractive lens structure disposed between the first optically transparent substrate and the second optically transparent substrate on the side of the second optically transparent substrate is arranged on the side of the second optically transparent substrate. An optically transparent electrode is disposed on the second optically transparent substrate, and a second optically transparent electrode is disposed on the second optically transparent substrate.

本開示の実施形態によれば、偏光要素は、第1の電気活性レンズ上に積み重ねられた第2の電気活性レンズを含む。第1の電気活性レンズの第1の光学的透明層は、LC層と接触する接触表面を有し、オン状態でネマチック液晶材料中の液晶を第1の水平方向に直線的に整列させるように構成されている整列層を備えるが、第2の電気活性レンズの第1の光学的透明層は、LC層と接触する接触表面を有し、オン状態でネマチック液晶材料中の液晶を第2の水平方向に直線的に整列させるように構成されている整列層を備え、第1の方向は、第2の水平方向に垂直である。この方式で、光学デバイスは、改善された精度で電気活性レンズに非偏光を透過する(すなわち、分散させるか、または集光する)ことができ、それによって、二重像の発生の可能性を回避するか、または少なくとも減少させる。 According to embodiments of the present disclosure, the polarizing element includes a second electro-active lens stacked on the first electro-active lens. The first optically transparent layer of the first electro-active lens has a contact surface in contact with the LC layer so as to linearly align the liquid crystals in the nematic liquid crystal material in the first horizontal direction in the on state. the first optically transparent layer of the second electro-active lens has a contact surface in contact with the LC layer and in the on-state aligns the liquid crystal in the nematic liquid crystal material with the second electro-active lens. An alignment layer configured for linear alignment in a horizontal direction, the first direction being perpendicular to the second horizontal direction. In this manner, the optical device can transmit (i.e., disperse or focus) unpolarized light into the electro-active lens with improved precision, thereby eliminating the possibility of double imaging. Avoid or at least reduce.

好ましくは、第1の電気活性レンズの屈折力は、第2の電気活性レンズの屈折力に対応しており、それにより光学デバイスのオン状態において、第1の直線偏光方向に対して光学デバイスによって提供されるレンズ作用は、第2の直線偏光方向(第2の方向は第1の方向に直交する)に対するレンズ作用に対応する。 Preferably, the refractive power of the first electro-active lens corresponds to the refractive power of the second electro-active lens, such that in the on-state of the optical device, the refractive power of the first electro-active lens is The lensing provided corresponds to a lensing for a second linear polarization direction (the second direction being orthogonal to the first direction).

第1および第2の電気活性レンズは、同一であってよく、これは製造コストの観点からは有利であり得る。しかしながら、第1および第2の電気活性レンズも同様に異なり得る。たとえば、両方の電気活性レンズの回折レンズ要素がフレネルレンズ構造である実施形態において、第1の電気活性レンズのフレネルレンズ構造のブレイズ軸方向高さ(blaze axial height)および/またはブレイズ横断方向位置(blaze transversal position)は、第2の電気活性レンズのフレネルレンズ構造のブレイズ軸方向高さおよび/またはブレイズ横断方向位置と少なくとも部分的に異なり得る。これは、たとえば、斜め方向から観察した場合の視差効果およびモアレ効果を低減するのに役立ち得る。 The first and second electro-active lenses may be identical, which may be advantageous from a manufacturing cost point of view. However, the first and second electro-active lenses may be different as well. For example, in embodiments where the diffractive lens elements of both electro-active lenses are Fresnel lens structures, the blaze axial height and/or blaze transverse position ( The blaze transversal position) may be at least partially different from the blaze axial height and/or blaze transversal position of the Fresnel lens structure of the second electro-active lens. This may, for example, help reduce parallax and moiré effects when viewed from an oblique direction.

それに加えて、または代替的に、第1の電気活性レンズのネマチック液晶材料は、第2の電気活性レンズのネマチック液晶材料と異なっていてもよい。異なるネマチック液晶材料を使用することは、斜め方向から観察した場合の視差効果およびモアレ効果を低減するのに役立ち得る。さらに、ネマチック液晶材料の選択は、回折構造のブレイズの必要な位置に影響を及ぼし、および/または色収差の発生を低減し得る。 Additionally or alternatively, the nematic liquid crystal material of the first electro-active lens may be different from the nematic liquid crystal material of the second electro-active lens. Using different nematic liquid crystal materials can help reduce parallax and moiré effects when viewed from an oblique direction. Furthermore, the choice of nematic liquid crystal material may influence the required position of the blazes of the diffractive structure and/or reduce the occurrence of chromatic aberrations.

第1および第2の電気活性レンズが積み重ねられるいくつかの実施形態において、第1の電気活性レンズの第1の光学的透明基板および第2の電気活性レンズの第1の光学的透明基板は、単一の共通の光学的透明基板へと組み合わされる。次いで、電気活性レンズのスタックは、3つの基板のみを有し得る。 In some embodiments where the first and second electro-active lenses are stacked, the first optically transparent substrate of the first electro-active lens and the first optically transparent substrate of the second electro-active lens are: combined into a single common optically transparent substrate. The stack of electro-active lenses may then have only three substrates.

2つの電気活性レンズを互いの上に積み重ねる代わりに、単一の電気活性レンズは、少なくとも1つの直線偏光子を設けられ得る。直線偏光子は、第1の直線偏光を有する光が通過することを許し、第1の直線偏光に垂直な第2の直線偏光を有する光を実質的に遮断するように構成される。さらに、偏光子は、好ましくは、第1の直線偏光が、第1の電極の近くの位置で液晶層内の液晶の整列と実質的に平行になるように第1の光学的透明層の側で整列される。言い換えると、偏光子軸は、オン状態の第1の電気活性レンズのネマチック液晶(LC)材料における液晶ダイレクタの方向に整列され得る。この方式で、非偏光が入射すると(光学デバイスがオン状態のとき)、第1の直線整列方向に沿った第1の偏光に由来する拡大像と、第1の方向に垂直な第2の偏光に由来する非拡大像が生じる。そこで、非拡大像は、好適な偏光子によって容易に除去され得る。 Instead of stacking two electro-active lenses on top of each other, a single electro-active lens can be provided with at least one linear polarizer. The linear polarizer is configured to allow light having a first linear polarization to pass therethrough and to substantially block light having a second linear polarization perpendicular to the first linear polarization. Further, the polarizer is preferably arranged on the side of the first optically transparent layer such that the first linearly polarized light is substantially parallel to the alignment of the liquid crystals in the liquid crystal layer at a location proximate to the first electrode. are aligned. In other words, the polarizer axis may be aligned with the direction of the liquid crystal director in the nematic liquid crystal (LC) material of the first electro-active lens in the on state. In this way, when unpolarized light is incident (when the optical device is in the on state), an enlarged image originating from the first polarized light along the first linear alignment direction and a second polarized light perpendicular to the first direction are generated. A non-magnified image is generated. The unmagnified image can then be easily removed by a suitable polarizer.

好ましい実施形態において、直線偏光子は、第1の基板および/または第1の光学的透明電極に取り付けられた1つまたは複数の偏光層を備え、より好ましくは、直線偏光子は、整列層に取り付けられた、整列層の整列方向に整列された偏光層を備える。整列方向は、異なる方式で達成されてもよく、整列層がこする動作を受けたときのこする方向、または整列層が光整列処理を受けたときの光整列方向に対応し得ることに留意されたい。 In a preferred embodiment, the linear polarizer comprises one or more polarizing layers attached to the first substrate and/or the first optically transparent electrode, more preferably the linear polarizer comprises an alignment layer. A polarizing layer is attached and aligned in the alignment direction of the alignment layer. Note that the alignment direction may be achieved in different manners and may correspond to the rubbing direction when the alignment layer is subjected to a rubbing action or to the photoalignment direction when the alignment layer is subjected to a photoalignment treatment. .

さらなる実施形態において、光学デバイスは、LC層に面する回折レンズ構造の表面上に形成された少なくとも1つの偏光層を備え、少なくとも1つのさらなる偏光層の偏光ダイレクタは、レンズ表面の局所的液晶ダイレクタと一致するように回折レンズ構造の異なる領域内で調整される。 In a further embodiment, the optical device comprises at least one polarizing layer formed on the surface of the diffractive lens structure facing the LC layer, the polarization director of the at least one further polarizing layer being a local liquid crystal director at the lens surface. is adjusted within different regions of the diffractive lens structure to match.

光学デバイスは、少なくとも1つの電気活性レンズが、光学的透明電極に対する電圧の印加時に、LC層内の液晶の整列を変化させることによって光の集光または分散を調整するように構成されているタイプのものであってよい。当業者に理解されるように、電圧は異なる方式で印加することができる。1つまたは複数の電気活性レンズの電極を、眼鏡のフレームの異なる部分に配置されている電池などの、電源に取り付ける1つの具体例が、特許文献9において説明されている。さらに、電気活性レンズの光学的透明電極は、第1および第2の電気活性レンズの同時切り替えのために電気的に接続され得る。光の集光または分散の調整は、光学的透明電極に対する電圧の印加時に横断方向においてLC層の屈折率を変化させることによって電気活性レンズの屈折力の変動を引き起こし得るが、というのもこれがLCダイレクタを横断方向に再配向するからである。 The optical device is of a type in which at least one electro-active lens is configured to adjust the focusing or dispersion of light by changing the alignment of liquid crystals in the LC layer upon application of a voltage to the optically transparent electrode. It may be of. As will be understood by those skilled in the art, voltages can be applied in different ways. One example of attaching one or more electro-active lens electrodes to a power source, such as a battery located in different parts of an eyeglass frame, is described in US Pat. Furthermore, the optically transparent electrodes of the electro-active lens can be electrically connected for simultaneous switching of the first and second electro-active lenses. Adjustment of the focusing or dispersion of light can cause variations in the refractive power of the electro-active lens by changing the refractive index of the LC layer in the transverse direction upon application of a voltage across the optically transparent electrodes, since this This is because it reorients the director in the transverse direction.

光学デバイスは、少なくとも1つの電気活性レンズの光学的透明電極に対する電圧の印加時に、少なくとも1つの電気活性レンズが実質的にレンズ作用を示さないオフ状態から、少なくとも1つの電気活性レンズがレンズ作用を示すオン状態に少なくとも1つの電気活性レンズに切り替えさせるように構成され得る。回折レンズ要素のタイプに応じて、レンズ作用は入射像の拡大を伴い得る。 The optical device is configured to change the at least one electro-active lens from an off state in which the at least one electro-active lens exhibits substantially no lens action to a state in which the at least one electro-active lens exhibits lens action upon application of a voltage to the optically transparent electrode of the at least one electro-active lens. The at least one electro-active lens may be configured to switch to an on state as shown. Depending on the type of diffractive lens element, lensing may involve magnification of the incident image.

オフ状態では、ネマチック液晶材料中の液晶は、横断方向におけるLC層の屈折率が回折構造の屈折率と実質的に一致するように配向され、および/またはオン状態では、液晶の配向が傾き配向が整列層の整列方向と平行になる。 In the off state, the liquid crystals in the nematic liquid crystal material are oriented such that the refractive index of the LC layer in the transverse direction substantially matches the refractive index of the diffractive structure, and/or in the on state, the orientation of the liquid crystals is tilted and aligned. is parallel to the alignment direction of the alignment layer.

光学デバイスは、液晶層中に配置され、第2の電極が延在する平面に対して垂直な方向に延在する複数のスペーサを備えるものとしてよく、このスペーサは、好ましくは、回折レンズ構造上に形成される。スペーサは、LC層の必要な最小および最大厚さが正確に達成され得ることを確実にする。具体的な実施形態において、スペーサは、第2の基板に最も近い回折レンズ構造の部分から測定したときに、1~20μm、好ましくは、2~12μmの間である、追加の高さを提供するように構成される。 The optical device may comprise a plurality of spacers arranged in the liquid crystal layer and extending in a direction perpendicular to the plane in which the second electrode extends, the spacers preferably being arranged above the diffractive lens structure. is formed. The spacer ensures that the required minimum and maximum thickness of the LC layer can be achieved accurately. In a specific embodiment, the spacer provides an additional height of between 1 and 20 μm, preferably between 2 and 12 μm, when measured from the part of the diffractive lens structure closest to the second substrate. It is configured as follows.

LC層の液晶材料は、好ましくは、0.15~0.40の範囲内にある複屈折Δnを有するように選択される。 The liquid crystal material of the LC layer is preferably selected to have a birefringence Δn in the range 0.15 to 0.40.

別の態様によれば、眼鏡類において使用するためのレンズユニットが提供され、レンズユニットは第1のレンズ部品、第2のレンズ部品、および本明細書において定められているような光学デバイスを備え、電気活性レンズは、第1のレンズ部品と第2のレンズ部品との間に配置され、好ましくは、挟装される。 According to another aspect, a lens unit for use in eyewear is provided, the lens unit comprising a first lens component, a second lens component, and an optical device as defined herein. , the electro-active lens is disposed between the first lens component and the second lens component, preferably sandwiched.

さらに別の態様によれば、眼鏡が提供され、眼鏡は、本明細書において定められるような第1および第2のレンズユニット、または第1および第2の光学デバイスが装着されるフレームを備える。 According to yet another aspect, eyeglasses are provided, the eyeglasses comprising a frame on which are mounted first and second lens units or first and second optical devices as defined herein.

さらに別の態様によれば、本明細書において定められるような第1および第2の電気活性レンズを含む光学デバイスを動作させる方法が提供され、第1の電気活性レンズおよび第1の電気活性レンズ上に積み重ねられた第2の電気活性レンズの第1および第2の電極に交流電圧が印加され、第1および第2の基板に実質的に垂直な方向に液晶を整列させる。本開示は、また、本明細書において定められているような光学デバイス、レンズユニット、および/または眼鏡の使用に関係する。 According to yet another aspect, a method of operating an optical device comprising first and second electro-active lenses as defined herein is provided, the first electro-active lens and the first electro-active lens An alternating current voltage is applied to the first and second electrodes of the second electro-active lens stacked on top to align the liquid crystal in a direction substantially perpendicular to the first and second substrates. The present disclosure also relates to the use of optical devices, lens units, and/or eyeglasses as defined herein.

概要
一軸性材料であるが、液晶は複屈折の特性を有している。これは、特定の位相遅延
を有する2つの光線が液晶層から常に出現することを意味し、dは、層の厚さであり、λは、入射光の波長であり、n-n=Δnは、複屈折率であり、nは、異常光屈折率であり、nは、常光屈折率である。以下の角度φは、液晶ダイレクタのねじれ角を指示し、z方向の距離d(すなわちLC層の厚さ)にとともに直線的に変化する。モーガン条件は、
のときに満たされる。モーガン条件が満たされたときに、入射偏光の導波が行われる。次いで、異常波および定常波は両方とも、光軸の回転に追従し、液晶は偏光回転子の役割を果たす。
Overview Although liquid crystal is a uniaxial material, it has the property of birefringence. This is the specific phase delay
means that two light rays always emerge from the liquid crystal layer with , n e is the extraordinary refractive index, and n o is the ordinary refractive index. The angle φ below indicates the twist angle of the liquid crystal director and varies linearly with the distance d in the z direction (ie the thickness of the LC layer). Morgan condition is
It is satisfied when . Waveguiding of the incident polarized light takes place when the Morgan condition is met. Both the extraordinary wave and the standing wave then follow the rotation of the optical axis, and the liquid crystal plays the role of polarization rotator.

液晶レンズでは、レンズ材料の屈折率は、液晶の屈折率、すなわち、nまたはnの一方と一致させられ得る。これは、一致した屈折率の方向では直線偏光に対しレンズ作用がないことを意味する。これに垂直な偏光については、すべての光がレンズによって屈折される。2つの直交する偏光方向に分解できる非偏光が透過される場合、光の半分はレンズ作用を受け、半分はレンズ作用を受けない。したがって、二重像が透過される。すべての光にレンズ作用を受けさせるために、1つの解決方法は、液晶が第1の液晶レンズに対して垂直な第2の液晶レンズを追加することである。これは、特許文献10および特許文献1でも提案されている。しかしながら、両方の特許において、液晶の配置は、2つの液晶層を積み重ねる方法の点で本開示とは異なる。 In liquid crystal lenses, the refractive index of the lens material can be matched to the refractive index of the liquid crystal, ie, one of n e or no . This means that there is no lensing effect on linearly polarized light in the direction of matched refractive index. For polarization perpendicular to this, all light is refracted by the lens. When unpolarized light that can be resolved into two orthogonal polarization directions is transmitted, half of the light is lensed and half is not. Therefore, a double image is transmitted. In order to lens all the light, one solution is to add a second liquid crystal lens whose liquid crystal is perpendicular to the first liquid crystal lens. This is also proposed in Patent Document 10 and Patent Document 1. However, in both patents, the arrangement of the liquid crystals differs from the present disclosure in the way the two liquid crystal layers are stacked.

本開示の場合、液晶ダイレクタは、フレネルレンズ構造を有する基板上では不均一な配向であるが、対向基板(フレネルレンズ構造を有しない)上では均一な配向である。2枚のレンズを積み重ねるときに、フレネルレンズ構造を有する基板が他方のレンズに当たる場合、液晶ダイレクタをレンズのすべての部分において第2のレンズ上で触れる基板に対して垂直にすることは不可能である。これは、2枚のレンズが互いに向き合う対向基板と一緒に積み重ねられる場合にのみ可能である。 In the case of the present disclosure, the liquid crystal director has a non-uniform alignment on a substrate with a Fresnel lens structure, but a uniform alignment on a counter substrate (without a Fresnel lens structure). When stacking two lenses, if a substrate with a Fresnel lens structure hits the other lens, it is impossible to make the liquid crystal director perpendicular to the substrate touching the second lens in all parts of the lens. be. This is only possible if the two lenses are stacked together with opposing substrates facing each other.

電気活性レンズを非偏光に対して機能させる別の解決方法は、レンズに偏光子を追加することである。この場合、偏光子軸は液晶ダイレクタと一致すべきである。液晶ダイレクタはレンズの対向基板でのみ均一であるので、(直線)偏光子はこの基板に取り付けられ、液晶(=こするまたは光整列する)方向に整列されるべきである。 Another solution to making an electro-active lens work for unpolarized light is to add a polarizer to the lens. In this case, the polarizer axis should coincide with the liquid crystal director. Since the liquid crystal director is uniform only on the opposite substrate of the lens, a (linear) polarizer should be attached to this substrate and aligned in the liquid crystal (=rubbing or light alignment) direction.

さらなる解決方法では、偏光子が電気活性レンズにも追加される。しかしながら、この場合、これは偏光子ダイレクタがレンズ表面上の局所的液晶ダイレクタと一致するようにレンズの異なる領域内で調整される特別なタイプの偏光子である。この偏光子は、レンズ基板に取り付けられる。この種類の偏光子は、光整列によって作ることができる(たとえば、非特許文献1を参照されたい)。 In a further solution, a polarizer is also added to the electro-active lens. However, in this case this is a special type of polarizer in which the polarizer director is adjusted within different regions of the lens to match the local liquid crystal director on the lens surface. This polarizer is attached to the lens substrate. Polarizers of this type can be made by optical alignment (see, for example, J.D.

前述したように、拡大像に対する1つの偏光と非拡大像に対する1つの偏光とに純粋な分割を行わせるために、液晶ねじれは導波レジームにおいて広く延在しているべきである。これは、モーガン条件が満たされるべきであることを意味し、われわれはわかりやすくするために0.5pΔn>>λと書き換え、ここで、λは、光の波長であり、pは、らせんピッチ(2πd/φに等しい)であり、Δnは、複屈折率である。ピッチは、液晶のダイレクタが360度に対してねじれる長さである。 As mentioned above, the liquid crystal twist should be widely extended in the waveguiding regime in order to have a pure splitting into one polarization for the magnified image and one polarization for the non-magnified image. This means that the Morgan condition should be satisfied, and we rewrite it for clarity as 0.5pΔn>>λ, where λ is the wavelength of the light and p is the helical pitch ( 2πd/φ), and Δn is the birefringence. Pitch is the length by which the director of the liquid crystal is twisted through 360 degrees.

たとえば、ある条件においてλは光の波長であり、典型的には0.5ミクロンである。Δnは、定常軸および異常軸に沿った屈折率の差であり、典型的には0.2であり、pは、らせんピッチである。これは、モーガン条件を満たすためには、整列幾何学的形状を考慮して、らせんピッチpは0.5/(0.5×0.2)=5ミクロンよりかなり大きい値であるべきである。 For example, in some conditions λ is the wavelength of light, typically 0.5 microns. Δn is the difference in refractive index along the steady and extraordinary axes, typically 0.2, and p is the helical pitch. This means that to satisfy the Morgan condition, the helical pitch p should be significantly larger than 0.5/(0.5 x 0.2) = 5 microns, considering the alignment geometry. .

電気活性レンズ内のねじれの量は、レンズ構造が、液晶が、液晶接触の2つの表面の間、本出願の場合にはレンズ表面と向かい合う基板(対向基板)との間の、ダイレクタの方向をどれだけ変えるかに依存する。 The amount of twist in an electro-active lens is such that the lens structure allows the liquid crystal to control the direction of the director between the two surfaces of the liquid crystal contact, in the case of the present application between the lens surface and the facing substrate (counter substrate). Depends on how much you change it.

有限要素法による数値計算が本発明者らによって適用され、それにより、電気活性レンズ内の液晶のねじれ挙動を決定したところ、レンズ表面上の液晶のプレチルト角に依存していることがわかった。このプレチルト角は、整列材料、こするまたは照明条件、さらにはポリマー(フレネル)レンズの、これが載る基板に関する表面角度に影響され得る。一般的に、プリチルトが低いほど、ねじれは大きくなる。たとえば、整列方向に対して垂直方向に配向された3度の角度を有する表面上の87度のプレチルトの結果、合計45度のねじれが発生する。 Numerical calculations by finite element method were applied by the inventors to determine the torsional behavior of the liquid crystal in the electro-active lens, which was found to be dependent on the pretilt angle of the liquid crystal on the lens surface. This pretilt angle can be influenced by the alignment material, rubbing or illumination conditions, and even the surface angle of the polymer (Fresnel) lens with respect to the substrate on which it rests. Generally, the lower the pretilt, the greater the twist. For example, an 87 degree pretilt on a surface with a 3 degree angle oriented perpendicular to the alignment direction results in a total twist of 45 degrees.

整列された表面に垂直な電気活性レンズの断面を考えると、ねじれ値は、方位角の変化とともに変化する。断面の側がこする方向と一致するときに、レンズと対向基板との間のねじれは0度であるべきである。しかしながら、方位角の変化とともにねじれ角の値は大きくなり、理論的には180度の値に達し得る。この場合、フレネルレンズ表面上および対向基板上のダイレクタは互いに平行に配向され、曲げ変形の代わりにダイレクタはねじれを選択することになる。この選択は、系が平衡に達しようとするときに起こり、全体の最小エネルギー状態は180度のねじれに対応する。ねじれの値が大きいほど、2枚の基板の間の距離は2.5ミクロンより大きくなければならない。このために、レンズ度数1.5ジオプターのレンズ(直径21mm、Δn=0.2)に対してブレイズの頂部より少なくとも4ミクロン高いスペーサが施される。 Considering the cross-section of the electro-active lens perpendicular to the aligned surfaces, the torsion value changes with changing azimuthal angle. When the side of the cross section coincides with the rubbing direction, the twist between the lens and the counter substrate should be 0 degrees. However, as the azimuth changes, the value of the torsion angle increases and can theoretically reach a value of 180 degrees. In this case, the directors on the Fresnel lens surface and on the counter substrate are oriented parallel to each other, and instead of bending deformation, the directors will choose torsion. This selection occurs as the system attempts to reach equilibrium, and the overall minimum energy state corresponds to a 180 degree twist. The higher the twist value, the more the distance between the two substrates must be greater than 2.5 microns. To this end, a spacer at least 4 microns higher than the top of the blaze is applied to a 1.5 diopter lens (diameter 21 mm, Δn=0.2).

レンズ度数および直径に応じて、レンズの上のスペーサの高さは、レンズ表面全体にまたがってモーガンレジームを満たすように最適化されるべきである。 Depending on the lens power and diameter, the height of the spacer above the lens should be optimized to fill the Morgan regime across the entire lens surface.

導波/モーガンレジームに対して条件が満たされた場合、光の直線偏光は、液晶分子のねじれと一致する。この効果が、電気活性レンズの品質を改善するために使用可能であると本発明者らが見いだしたものである。 If the conditions are met for the waveguiding/Morgan regime, the linear polarization of the light is consistent with the twisting of the liquid crystal molecules. It is this effect that the inventors have found can be used to improve the quality of electro-active lenses.

これにより、レンズセルを通して直線偏光が維持され、対向基板に直線整列方向が適用される場合、この表面への光学応答は均一である。より具体的には、直線整列方向に沿った拡大像およびそれに垂直な非拡大像があることになる。したがって、その側に直線偏光子が置かれた場合、非拡大像は問題なく除去され得る。さらに、次いで、両方の対向基板が互いの方へ配向され、90度の角度に置かれることを前提条件として、第1の電気活性レンズ上に類似の電気活性レンズを積み重ねることによって偏光独立スイッチャブルレンズを作ることも可能である。 This maintains linear polarization through the lens cell, and when a linear alignment direction is applied to the opposing substrate, the optical response to this surface is uniform. More specifically, there is an enlarged image along the linear alignment direction and a non-enlarged image perpendicular thereto. Therefore, if a linear polarizer is placed on its side, the unmagnified image can be removed without any problem. Additionally, polarization independent switchability can then be achieved by stacking a similar electro-active lens on top of the first electro-active lens, provided that both counter substrates are oriented towards each other and placed at a 90 degree angle. It is also possible to make lenses.

電気活性レンズを備える光学デバイスの一実施形態を例示する図である。FIG. 2 illustrates an embodiment of an optical device comprising an electro-active lens. 電気活性レンズ内の液晶のねじれを例示する図である。FIG. 3 is a diagram illustrating twisting of liquid crystals within an electro-active lens. 電気活性レンズ内の液晶の整列を例示する図である。FIG. 3 is a diagram illustrating alignment of liquid crystals within an electro-active lens. それぞれの電気活性レンズの2つの液晶層の液晶の整列を例示する図である。FIG. 3 is a diagram illustrating the liquid crystal alignment of two liquid crystal layers of each electro-active lens. 電気活性レンズによる偏光依存拡大の一例を例示する図である。FIG. 3 is a diagram illustrating an example of polarization-dependent magnification by an electro-active lens. 本開示の一実施形態による偏光子層が設けられた電気活性レンズを例示する図である。1 illustrates an electro-active lens provided with a polarizer layer according to an embodiment of the present disclosure; FIG. 本開示の別の実施形態による偏光子層が設けられた電気活性レンズを例示する図である。FIG. 3 illustrates an electro-active lens provided with a polarizer layer according to another embodiment of the present disclosure. 第1のレンズ部品、第2のレンズ部品、および2つのレンズ部品の間に挟装される図5の光学デバイスを備えるレンズユニットの一実施形態を例示する図である。FIG. 6 illustrates an embodiment of a lens unit comprising a first lens component, a second lens component, and the optical device of FIG. 5 sandwiched between the two lens components. 図1の実施形態に対応する、2つの積み重ねられた電気活性レンズを備える光学デバイスの一実施形態を例示する図である。2 illustrates an embodiment of an optical device comprising two stacked electro-active lenses, corresponding to the embodiment of FIG. 1; FIG. 本開示による2つの電気活性レンズのスタックを備える電気活性ユニットを例示する図である。FIG. 3 illustrates an electro-active unit comprising a stack of two electro-active lenses according to the present disclosure. 本開示の実施形態による電気活性レンズの例示的な試験結果を例示する図である。FIG. 3 illustrates exemplary test results for electro-active lenses according to embodiments of the present disclosure. 本開示の実施形態による電気活性レンズの例示的な試験結果を例示する図である。FIG. 3 illustrates exemplary test results for electro-active lenses according to embodiments of the present disclosure. 本開示の実施形態による電気活性レンズの例示的な試験結果を例示する図である。FIG. 3 illustrates exemplary test results for electro-active lenses according to embodiments of the present disclosure.

次の説明では、説明を目的として、本開示を完全に理解できるようにする多数の具体的詳細を述べている。しかしながら、これらの具体的詳細がなくても本開示が実施され得ることは明らかであろう。他の場合には、本開示を不必要に曖昧にするのを避けるために、よく知られている構造およびデバイスについては詳細な点まで説明することはしていない。 For purposes of explanation, the following description sets forth numerous specific details to provide a thorough understanding of the present disclosure. However, it may be apparent that the present disclosure may be practiced without these specific details. In other instances, well-known structures and devices have not been described in detail to avoid unnecessarily obscuring the present disclosure.

当業者が本開示を読めば明らかなように、本明細書において説明され、例示されている個別の実施形態の各々は、本開示の範囲から逸脱することなく他のいくつかの実施形態のうちのいずれかの実施形態の特徴から、容易に分離されるか、またはそれらと組み合わされ得る離散コンポーネントおよび特徴を有している。任意の記載された方法は、記載された事象の順序で、あるいは論理的に可能である他の任意の順序で、実行することができる。 As will be apparent to those skilled in the art upon reading this disclosure, each of the individual embodiments described and illustrated herein may be modified among several other embodiments without departing from the scope of this disclosure. has discrete components and features that can be easily separated from or combined with the features of any of the embodiments. Any described method may be performed in the described order of events or in any other order that is logically possible.

本明細書および付属の特許請求の範囲において使用されているように、単数形(原文において「a」、「an」、「the」の冠詞)は、文脈上明らかに他の方法を示していない限り、複数の指示対象を含むことに留意されたい。さらに、特許請求の範囲は、任意の付加的な要素を除外するように記載されてもよいことに留意されたい。そのようなものとして、この文章は、請求要素の説明に関連して「もっぱら」、「のみ」、および同様の語の排他的な用語の使用、または「否定的」限定の使用に対する先立つ根拠として働くことを意図されている。 As used in this specification and the appended claims, the singular forms "a," "an," and "the" do not clearly dictate otherwise from the context. Note that this includes multiple referents. Furthermore, it is noted that the claims may be written to exclude any additional elements. As such, this text does not include the use of exclusive terms such as "solely," "only," and similar words in connection with the description of claim elements, or as a precedent to the use of "negative" limitations. meant to work.

図1は、電気活性レンズ101を示している。電気活性レンズ101は、レンズの一部であってよい。電気活性レンズ101は、第1の電極106が形成される第1の基板104と、第2の電極107が形成される第2の基板105と、第1の基板104と第2の基板106との間、特定の実施形態では、電極106と電極107との間に囲まれ、電気活性レンズ101の対向端に配置された2つの境界103によって封止された体積部またはキャビティ108とを備える。第1の基板104、第2の基板105、第1の電極106、および第2の電極107は、光学的透明材料から作られ得る。たとえば、電極106、107は、錫ドープ酸化インジウム(ITO)層および/またはインジウム亜鉛酸化物(IZO)層を含み得る。第1および第2の電極106、107は、電源(図示せず)に接続され得る。電源は、光学デバイスがオン状態に切り替えられたときに第1の電極と第2の電極との間に電圧差を印加するように構成されてよく、その一方で、オフ状態では、第1の電極と第2の電極との間に電圧差は実質的に存在しない。 FIG. 1 shows an electro-active lens 101. FIG. Electro-active lens 101 may be part of a lens. The electro-active lens 101 includes a first substrate 104 on which a first electrode 106 is formed, a second substrate 105 on which a second electrode 107 is formed, and the first substrate 104 and the second substrate 106. Between, certain embodiments include a volume or cavity 108 enclosed between electrodes 106 and 107 and sealed by two boundaries 103 located at opposite ends of electro-active lens 101. First substrate 104, second substrate 105, first electrode 106, and second electrode 107 may be made from optically transparent materials. For example, electrodes 106, 107 may include a tin-doped indium oxide (ITO) layer and/or an indium zinc oxide (IZO) layer. The first and second electrodes 106, 107 may be connected to a power source (not shown). The power source may be configured to apply a voltage difference between the first electrode and the second electrode when the optical device is switched to the on state, while in the off state, the voltage difference between the first and second electrodes is There is substantially no voltage difference between the electrode and the second electrode.

光学的透明電極106、107の間の封止体積または封止キャビティ108は、回折レンズ構造102およびネマチック液晶から形成された少なくとも1つのネマチック液晶(LC)層113を含む。電気活性レンズ101のキャビティ108は、フレネルレンズ構造の形態の回折レンズ構造を含み得るが、他のタイプの回折構造も採用され得る。回折構造102は、回折構造の両側端部にそれぞれの中間空間108a、108bが存在するように図示されている実施形態においてキャビティ108の幅の一部のみにわたって延在する。しかしながら、他の実施形態では、回折構造は、2つの境界103(この境界103は第1の基板104と第2の基板105との間に配置されたプラグによって形成され得る)に接触するように延在する。さらに、フレネルレンズ構造102は、キャビティ108の中心に位置決めされているが、他の実施形態では、フレネルレンズ構造は、電気活性レンズ101の境界103のいずれかにより近いところに配置されてもよい。フレネルレンズ構造103は、透明材料からも、たとえば等方性高分子材料から作られる。 A sealed volume or cavity 108 between optically transparent electrodes 106, 107 includes a diffractive lens structure 102 and at least one nematic liquid crystal (LC) layer 113 formed from nematic liquid crystal. Cavity 108 of electro-active lens 101 may include a diffractive lens structure in the form of a Fresnel lens structure, although other types of diffractive structures may also be employed. The diffractive structure 102 extends over only a portion of the width of the cavity 108 in the illustrated embodiment such that there are respective intermediate spaces 108a, 108b at each end of the diffractive structure. However, in other embodiments, the diffractive structure is such that it contacts two boundaries 103, which boundaries 103 may be formed by a plug placed between the first substrate 104 and the second substrate 105. extend. Additionally, although the Fresnel lens structure 102 is positioned at the center of the cavity 108, in other embodiments the Fresnel lens structure may be located closer to any of the boundaries 103 of the electro-active lens 101. The Fresnel lens structure 103 is also made from a transparent material, for example from an isotropic polymeric material.

それに加えて、1つまたは複数のスペーサ109もボリューム108の内部に配置されてもよい。スペーサ109は、フレネルレンズ構造102と対向電極106、107との間に配置され得る。たとえば、図1に例示されているように、フレネルレンズ構造102は、第2の電極107上に配置され得る。次いで、1つまたは複数のスペーサ109は、フレネルレンズ構造102と第1の電極106との間に配置され、体積部108を貫通する。1つまたは複数のスペーサ(図示せず)は、また、電極106、107の間に配置され、これは第1の電極106から体積部108を通って第2の電極107まで延在する。 In addition, one or more spacers 109 may also be placed inside the volume 108. Spacer 109 may be placed between Fresnel lens structure 102 and counter electrodes 106, 107. For example, as illustrated in FIG. 1, Fresnel lens structure 102 may be disposed on second electrode 107. One or more spacers 109 are then placed between Fresnel lens structure 102 and first electrode 106 and extend through volume 108 . One or more spacers (not shown) are also disposed between the electrodes 106, 107, which extend from the first electrode 106 through the volume 108 to the second electrode 107.

さらに、第1の電極106の上に(または第1の電極106の一部として)、整列層111が、キャビティ108の内側のLC材料113を整列するように配置される。任意選択で、第2の整列層112が、回折構造102の上、すなわち、キャビティ108内のLC材料に面する回折構造102の表面上に配置される。第2の電極層が、第2の基板105と回折構造102との間に配置される代わりに回折構造の上に存在している実施形態(図1には示されていない)では、第2の整列層102は、第2の電極102の一部であってよい。 Furthermore, over (or as part of) the first electrode 106, an alignment layer 111 is disposed to align the LC material 113 inside the cavity 108. Optionally, a second alignment layer 112 is disposed over the diffractive structure 102, ie, on the surface of the diffractive structure 102 facing the LC material within the cavity 108. In embodiments (not shown in FIG. 1) in which the second electrode layer is present on the diffractive structure instead of being disposed between the second substrate 105 and the diffractive structure 102, the second electrode layer The alignment layer 102 may be part of the second electrode 102 .

電極106、107は、液晶(LC)層内の液晶の整列を変化させ、それによって電気活性レンズ101の横断方向(図1のx方向)における液晶(LC)層の屈折率を変化させるように構成される。より具体的には、これは横断方向(水平方向)の屈折率であり、これは回折構造の屈折率と一致するか、または一致しないかのいずれかであることを必要とするものである。それによって、電気活性レンズ101の屈折力の変動が取得され得る。液晶の整列は、電気活性レンズ101の活性化によって変更することができる。電気活性レンズ101は、後で説明されるように、光学的透明電極106、107に印加される電圧を使用して活性化されるように構成される。 The electrodes 106, 107 are arranged to change the alignment of the liquid crystals in the liquid crystal (LC) layer, thereby changing the refractive index of the liquid crystal (LC) layer in the transverse direction of the electro-active lens 101 (the x direction in FIG. 1). configured. More specifically, this is the transverse (horizontal) refractive index, which must either match or not match the refractive index of the diffractive structure. Thereby, variations in the refractive power of the electro-active lens 101 may be obtained. The alignment of the liquid crystals can be changed by activation of the electro-active lens 101. Electro-active lens 101 is configured to be activated using a voltage applied to optically transparent electrodes 106, 107, as described below.

電極106、107に電圧が印加されないときに、ネマチック液晶(LC)内の液晶分子の配向は、整列層によって決定される。より具体的には、ネマチック液晶(LC)層中の液晶分子は、平面内および平面外の両方の配向を示し、液晶の平面内整列方向は、典型的にはこするまたは照明方向と一致する。整列表面平面からの液晶の平均上向き傾斜角は、次いで、(一方向)プレチルト角と称される。電極106、107に電圧が印加されたときに、次いで、電極106と電極107との間に発生する電界は、液晶の異なる整列方向を引き起こす。 When no voltage is applied to the electrodes 106, 107, the alignment of liquid crystal molecules within a nematic liquid crystal (LC) is determined by the alignment layer. More specifically, the liquid crystal molecules in a nematic liquid crystal (LC) layer exhibit both in-plane and out-of-plane alignment, and the in-plane alignment direction of the liquid crystals typically coincides with the rubbing or illumination direction. . The average upward tilt angle of the liquid crystal from the aligned surface plane is then referred to as the (unidirectional) pretilt angle. When a voltage is applied to the electrodes 106, 107, then the electric field generated between the electrodes 106 and 107 causes different alignment directions of the liquid crystal.

たとえば、ここではオフ状態とも称される、第1の状態、すなわち光学的透明電極106、107に電圧が印加されていない状態では、液晶は、電気活性レンズ101の横断方向(x方向)のLC層の屈折率が回折レンズ構造102の屈折率と実質的に一致するように配向し得る。その結果、回折レンズ構造102およびLC層は、横断方向(x方向)に同一の屈折率を有する(すなわち、実質的に光学界面が体積部108内に存在しない)組み合わされた光学層を効果的に形成する。言い換えると、組み合わされた光学層は、幅位置(すなわち、図1に示されているx方向に沿った位置)に関係なく、体積部108内で実質的に一定の屈折率を有する。さらに、組み合わされた光学層は、2つの平行な表面も有している。その結果、第1の状態にあるときに電気活性レンズ101に入射した光線は、コリメートまたは分散されることがない。 For example, in a first state, also referred to herein as the off-state, with no voltage applied to the optically transparent electrodes 106, 107, the liquid crystal is The refractive index of the layer may be oriented to substantially match the refractive index of the diffractive lens structure 102. As a result, the diffractive lens structure 102 and the LC layer effectively form a combined optical layer having the same refractive index in the transverse direction (x direction) (i.e., substantially no optical interface exists within the volume 108). to form. In other words, the combined optical layers have a substantially constant refractive index within volume 108 regardless of width position (ie, position along the x direction as shown in FIG. 1). Furthermore, the combined optical layer also has two parallel surfaces. As a result, light rays incident on electro-active lens 101 when in the first state are not collimated or dispersed.

ここではオン状態とも称される、第2の状態、すなわち第1の電極106および第2の電極107に電圧が印加される状態では、液晶分子の配向は、典型的には、整列層の整列方向と平行になり、したがって追加の光学界面がLC層内の液晶と回折レンズ構造102との間に形成される。この追加の光学界面は結果として、組み合わされた層の異なる屈折率をもたらす。したがって、電気活性レンズ101に入射した光線は、回折レンズ構造102とLC層との間の光学界面によって屈折され、それによって回折レンズ構造102に入射した光線をコリメートまたは分散する。 In the second state, also referred to herein as the on-state, in which a voltage is applied to the first electrode 106 and the second electrode 107, the orientation of the liquid crystal molecules typically follows the alignment of the alignment layer. direction and thus an additional optical interface is formed between the liquid crystal in the LC layer and the diffractive lens structure 102. This additional optical interface results in a different refractive index of the combined layers. Accordingly, light rays incident on the electro-active lens 101 are refracted by the optical interface between the diffractive lens structure 102 and the LC layer, thereby collimating or dispersing the light rays incident on the diffractive lens structure 102.

まとめると、第1の状態は、電極106、107に電圧が印加されない状態であってよく、第2の状態は、電極106、107に好適な電圧が印加され、電気活性素子101の横断方向の組み合わされた光学層の屈折率が、回折レンズ構造102(たとえばフレネルレンズ構造)の屈折率とそれぞれ一致し、および相違する状態である。同様に、以下の説明において、スイッチオン状態は、回折レンズ構造102と体積部108内の液晶との間に屈折光学界面を形成することによって電気活性レンズ101に追加の屈折力がもたらされる状態を指し、スイッチオフ状態は、電気活性レンズ101の横断方向の液晶の屈折率が、電気活性レンズ101に追加の屈折力がもたらされない結果として回折レンズ構造102の屈折率と一致している状態を指す。好ましくは、LC層(スイッチオフ状態)およびフレネルレンズ構造102の屈折率は、第1の基板104および/または第2の基板105の屈折率とも一致する。 In summary, a first state may be a state in which no voltage is applied to the electrodes 106, 107, and a second state is a state in which a suitable voltage is applied to the electrodes 106, 107 and a transverse direction of the electro-active element 101. The refractive index of the combined optical layers matches and differs from the refractive index of the diffractive lens structure 102 (eg, a Fresnel lens structure), respectively. Similarly, in the following description, the switched-on state refers to a state in which additional refractive power is provided to the electro-active lens 101 by forming a refractive optical interface between the diffractive lens structure 102 and the liquid crystal in the volume 108. The switched-off state refers to a state in which the refractive index of the liquid crystal in the transverse direction of the electro-active lens 101 matches the refractive index of the diffractive lens structure 102 as a result of no additional optical power being provided to the electro-active lens 101. Point. Preferably, the refractive index of the LC layer (switched off state) and the Fresnel lens structure 102 also matches the refractive index of the first substrate 104 and/or the second substrate 105.

フレネルレンズ構造102は、正のフレネルレンズ構造であっても、負のフレネルレンズ構造であってもよい。好ましくは、フレネルレンズ構造102は、負のフレネルレンズ構造である(図1に例示されているように)。どのような種類のフレネルレンズ構造102が使用されるかは、電気活性レンズ101の用途によって異なってもよく、たとえば、異なるサイズ、強度、形状のフレネルレンズ構造102が使用され得る。フレネルレンズ構造102は、第2の基板に接続される電極107上に配置され得るか、または電極がフレネル構造102の上に配置される実施形態では、フレネル構造は第2の基板に接続され得る。フレネルレンズ構造102が電極107上に配置される実施形態では、フレネルレンズ構造102は、任意の技術、たとえばナノインプリントリソグラフィによって電極107上に形成され得る。フレネルレンズ構造102は、ブレイズ110と称される複数の同心リング状形状によって形成され得る。ブレイズ110は、電気活性レンズ101の軸方向(すなわちz方向)に延在する側、フレネルレンズ構造102が形成される電極に面する側(すなわちxy平面)、および斜めの側(曲がっていてもよい)を有する三角形のような形状に類似する断面を有するリング状形状によって形成されており、これはスイッチオン状態においてフレネルレンズ構造102と液晶との間に屈折光学界面をもたらす。ブレイズ110の形状は、電気活性レンズ101の特定の用途に合わせて最適化されるものとしてよく、上で説明されている例または例示的な図は非限定的である。 Fresnel lens structure 102 may be a positive Fresnel lens structure or a negative Fresnel lens structure. Preferably, Fresnel lens structure 102 is a negative Fresnel lens structure (as illustrated in FIG. 1). The type of Fresnel lens structure 102 used may vary depending on the application of the electro-active lens 101; for example, Fresnel lens structures 102 of different sizes, strengths, and shapes may be used. The Fresnel lens structure 102 may be placed on an electrode 107 that is connected to the second substrate, or in embodiments where the electrode is placed on the Fresnel structure 102, the Fresnel structure may be connected to the second substrate. . In embodiments where Fresnel lens structure 102 is disposed on electrode 107, Fresnel lens structure 102 may be formed on electrode 107 by any technique, such as nanoimprint lithography. Fresnel lens structure 102 may be formed by a plurality of concentric ring-like shapes called blazes 110. The blaze 110 has a side extending in the axial direction (i.e. z-direction) of the electro-active lens 101, a side facing the electrode where the Fresnel lens structure 102 is formed (i.e. the xy plane), and an oblique side (even if it is bent). It is formed by a ring-like shape with a cross-section similar to a triangular-like shape with a good angle), which provides a refractive optical interface between the Fresnel lens structure 102 and the liquid crystal in the switched-on state. The shape of the blaze 110 may be optimized for the particular application of the electro-active lens 101, and the examples or illustrative diagrams described above are non-limiting.

第1の基板104および第2の基板105は、2つの基板の間に接着剤を塗布することによって接合され、それによって境界103の少なくとも一部を形成し得る。第1の基板104と第2の基板105とを接合する接着剤は、たとえば、NOA71またはNOA160であってよい。境界103または境界の一部は、さらに、フレネルレンズ構造102の形成中に、たとえば、フレネルレンズ構造102が形成されるナノインプリンティングステップにおいて形成され得る。 First substrate 104 and second substrate 105 may be joined by applying an adhesive between the two substrates, thereby forming at least a portion of boundary 103. The adhesive that bonds the first substrate 104 and the second substrate 105 may be, for example, NOA71 or NOA160. The boundary 103 or a portion of the boundary may further be formed during the formation of the Fresnel lens structure 102, for example in a nanoimprinting step in which the Fresnel lens structure 102 is formed.

図1を考慮した上記と同じ説明は、図5~図7に示されている実施形態にも適用されてよく、ここでは、類似の参照数字は類似の要素を指すものとしてよい。 The same explanation given above in view of FIG. 1 may also apply to the embodiments shown in FIGS. 5 to 7, where like reference numerals may refer to similar elements.

図1のような電気活性レンズ内のネマチック液晶は、液晶の複屈折特性により二重屈折を引き起こし得る。図4に例示されているように、電気活性レンズのオン状態では、電気活性レンズはレンズ度数を与える。しかしながら、液晶の複屈折特性により、異なる偏光は異なる仕方で屈折される。たとえば、ドット402およびドット403は、理想的には一致し、単一のドットを形成する。しかしながら、異なる偏光の異なる屈折により、これらのドットは、拡大像401において分離されているように見える。次の説明では、図2~図4を考慮して、この問題はさらに明確に述べられ、その後、図5、図6、および/または図7を考慮してこの問題がどのように解決されるかが明らかにされる。図8A~図8Cは、提案された解決方法の成功を例示する例示的な測定値である。 A nematic liquid crystal in an electro-active lens such as that in FIG. 1 can cause double refraction due to the birefringent properties of the liquid crystal. As illustrated in FIG. 4, in the on state of the electro-active lens, the electro-active lens provides lens power. However, due to the birefringent properties of liquid crystals, different polarizations are refracted differently. For example, dot 402 and dot 403 ideally coincide and form a single dot. However, due to the different refraction of the different polarizations, these dots appear separated in the magnified image 401. In the following discussion, this problem will be stated more clearly, considering FIGS. 2-4, and then how this problem is solved, considering FIGS. 5, 6, and/or 7. will be revealed. 8A-8C are exemplary measurements illustrating the success of the proposed solution.

図2は、2つの表面200、210の間に配置された液晶205を含む液晶層を例示している。一軸性材料であるが、液晶は複屈折の特性を有している。これは、位相遅延
を有する2つの光線が層内に常に出現することを意味し、dは、層の厚さであり、λは、波長であり、nは、異常光屈折率であり、nは、常光屈折率であり、(n-n)=Δnは、複屈折率である。式(1)および図2中の角度φは、液晶ダイレクタのねじれ角を指示し、z方向に直線的に変化する。モーガン条件が満たされたとき、すなわち
であるときに、入射偏光の導波が生じる。次いで、入射光の異常偏光と定常偏光の両方が光軸の回転に追従し、液晶205は偏光回転子として働く。
FIG. 2 illustrates a liquid crystal layer including a liquid crystal 205 disposed between two surfaces 200, 210. Although it is a uniaxial material, liquid crystal has the property of birefringence. This is the phase delay
means that two rays with always appear in the layer, d is the layer thickness, λ is the wavelength, ne is the extraordinary refractive index, and no is the ordinary is the refractive index, and (n e −n o )=Δn is the birefringence. The angle φ in equation (1) and FIG. 2 indicates the twist angle of the liquid crystal director and varies linearly in the z-direction. When the Morgan condition is satisfied, i.e.
Waveguiding of the incident polarization occurs when . Both the extraordinary polarization and the regular polarization of the incident light then follow the rotation of the optical axis, and the liquid crystal 205 acts as a polarization rotator.

図1を考慮して説明されているような電気活性レンズ内の液晶層において、屈折レンズ材料102は、液晶の屈折率すなわち(nまたはn)のものと一致される。これは、一致した屈折率の方向では直線偏光に対しレンズ作用がないことを意味する。これに垂直な偏光を有する分極した光については、すべての光がレンズによって屈折される。2つの直交する偏光方向の光の重ね合わせとして説明され得る非偏光が透過される場合、光の半分はレンズ作用を受け、残り半分はレンズ作用を受けない。したがって、二重像が透過される。 In a liquid crystal layer in an electro-active lens as described with reference to FIG. 1, the refractive lens material 102 is matched to that of the liquid crystal's refractive index, ie ( ne or no ). This means that there is no lensing effect on linearly polarized light in the direction of matched refractive index. For polarized light with a polarization perpendicular to this, all light will be refracted by the lens. When unpolarized light is transmitted, which can be described as a superposition of light of two orthogonal polarization directions, half of the light undergoes lensing and the other half does not undergo lensing. Therefore, a double image is transmitted.

言い換えると、表面201と表面210との間に配設された複屈折液晶205は、距離dにわたって角度φに関してねじれる傾向がある。上記で説明されているように、液晶205は、モーガン条件が満たされたときに、入射偏光を導く(導波する)。そのようなものとして、たとえば、光がz方向において透明表面200上に入射した場合、x方向の前記光の偏光は、y方向の(表面200における)偏光方向を有する光の別の偏光とは別の、液晶層の屈折率を生じる。 In other words, the birefringent liquid crystal 205 disposed between surfaces 201 and 210 tends to twist about the angle φ over the distance d. As explained above, the liquid crystal 205 guides the incident polarized light when the Morgan condition is met. As such, for example, if light is incident on transparent surface 200 in the z-direction, the polarization of said light in the x-direction is different from another polarization of light with a polarization direction (at surface 200) in the y-direction. Another result is the refractive index of the liquid crystal layer.

液晶205のねじれは、表面200と210との間の層の厚さに影響されるだけでなく、整列層のこすりまたは光整列などの知られている方法にも影響され得る。さらにまた、第1の表面200に関する第2の表面210の配向も、液晶205のねじれに影響を及ぼす。たとえば、第2の表面がyz平面内で回転された場合、液晶205は、現在図2に例示されているのとは別の方式で回転する。これは、たとえば、ブレイズ110の位置で生じ得る。 Twisting of liquid crystal 205 is not only influenced by the thickness of the layer between surfaces 200 and 210, but can also be influenced by known methods such as alignment layer rubbing or photoalignment. Furthermore, the orientation of the second surface 210 with respect to the first surface 200 also affects the twist of the liquid crystal 205. For example, if the second surface is rotated in the yz plane, liquid crystal 205 will rotate in a different manner than currently illustrated in FIG. This may occur, for example, at the location of the blaze 110.

これは、レンズ外形300を例示する図3Aにおいて例示され得る。そのようなレンズ外形は、図1の電気活性レンズ101として電気活性レンズを含むレンズであってもよい。図3のレンズでは、第1の電極106および第2の電極107上設けられたフレネル構造102の両方が、整列層を設けられ、これらの整列層は方向306に整列されている。これは、たぶん第1の電極106さらにはフレネル構造102の両方における液晶の方向306への整列を引き起こすであろう。しかしながら、フレネル構造102は、第1の電極106の表面と平行な表面を提供せず、そのようなものとして、フレネル構造102の表面は、矢印301、302、303、304および305によって概略的に例示されているように、その上の液晶の配向に影響を及ぼす。レンズ外形300の真ん中(矢印301で例示されている)における整列が整列方向306に平行であっても、第1の左下配向302、第1の右下配向303、第1の左上配向304、および第1の右上配向305における液晶の整列は、こする方向(306)に対して平行ではない実質的な成分を有する。そのようなものとして、直線偏光子を施すことは、出射光が複屈折液晶の異なる屈折特性を横断的に有する複数の偏光を含むので、単一像を取得するのには十分でない。 This may be illustrated in FIG. 3A, which illustrates a lens profile 300. Such a lens profile may be a lens that includes an electro-active lens, such as electro-active lens 101 in FIG. In the lens of FIG. 3, both the Fresnel structures 102 provided on the first electrode 106 and the second electrode 107 are provided with alignment layers, and these alignment layers are aligned in direction 306. This will likely cause alignment of the liquid crystal in both the first electrode 106 and also the Fresnel structure 102 in the direction 306. However, Fresnel structure 102 does not provide a surface parallel to the surface of first electrode 106, and as such, the surface of Fresnel structure 102 is generally indicated by arrows 301, 302, 303, 304 and 305. As illustrated, it affects the alignment of the liquid crystal thereon. Even if the alignment in the middle of the lens profile 300 (exemplified by arrow 301) is parallel to the alignment direction 306, a first lower left orientation 302, a first lower right orientation 303, a first upper left orientation 304, and The liquid crystal alignment in the first upper right orientation 305 has a substantial component that is not parallel to the rubbing direction (306). As such, applying a linear polarizer is not sufficient to obtain a single image since the output light contains multiple polarizations that cross the different refractive properties of the birefringent liquid crystal.

図3Bのような外形310を有する2つの要素のスタックを取得するために、図1の要素101などのさらなる電気活性レンズを外形300の電気活性レンズ上に置くことによって上記の問題が解決され得ると推定することもあり得る。上記の説明は、さらなる電気活性レンズにも適用されるが、さらなる電気活性レンズがあれば、整列方向306に直交する方向316に整列されるであろう。実際、第1の中心配向301は、第2の中心配向311に直交し、そのようなものとして、レンズ外形310の中心付近では偏光独立屈折が取得される。しかしながら、中心から離れた場所、たとえば、第1の左下配向302および第2の左下配向312が重なる場所では、それらの相互の整列が直交せず、その結果2つの異なる楕円偏光に対して異なる屈折が生じ、したがって、第1の左下配向302および第2の左下配向312が重なる領域において、レンズは二重像を形成する。同じことが、第1の右下配向303が第2の右下配向313と重なり、第1の左上配向304が第2の上配向314と重なり、第1の右上配向305が第2の右上配向315と重なる領域にも当てはまる。 The above problem may be solved by placing a further electro-active lens, such as element 101 of FIG. 1, on top of the electro-active lens of profile 300 to obtain a stack of two elements with profile 310 as in FIG. 3B. It is possible to assume that. The above description also applies to additional electro-active lenses, however, any additional electro-active lenses would be aligned in a direction 316 perpendicular to alignment direction 306. In fact, the first central orientation 301 is orthogonal to the second central orientation 311 and as such a polarization independent refraction is obtained near the center of the lens profile 310. However, away from the center, for example, where the first lower left orientation 302 and the second lower left orientation 312 overlap, their mutual alignment is not orthogonal, resulting in different refraction for the two different elliptical polarizations. occurs, and thus the lens forms a double image in the region where the first lower left orientation 302 and the second lower left orientation 312 overlap. The same goes for the first lower right orientation 303 overlapping the second lower right orientation 313, the first upper left orientation 304 overlapping the second upper orientation 314, and the first upper right orientation 305 overlapping the second upper right orientation. This also applies to areas that overlap with 315.

言い換えると、光は2つの独立した偏光状態(2回直線、2回円、または2回楕円)に分解することができ、非偏光はこれらの2つの状態の重ね合わせを含む。液晶は、異なる軸に沿って異なる屈折率値を有する細長分子からなる。単一レンズセルおよび頂部表面と底部表面における理想的直線整列方向を使用するときに、オン状態では、分子の長手方向の直線偏光がレンズ作用を受け、前記直線偏光に直交する他の偏光はレンズ作用を受けない。したがって、レンズを通してその結果得られる像は、拡大像および非拡大像の両方の、二重像である。 In other words, light can be decomposed into two independent polarization states (2-fold linear, 2-fold circular, or 2-fold elliptical), and unpolarized light involves a superposition of these two states. Liquid crystals consist of elongated molecules with different refractive index values along different axes. When using a single lens cell and ideal linear alignment directions at the top and bottom surfaces, in the on state, linearly polarized light in the longitudinal direction of the molecule is lensed, and other polarized light orthogonal to said linearly polarized light is lensed. Not affected. The resulting image through the lens is therefore a double image, both magnified and unmagnified.

しかしながら、直線偏光子を直線整列方向と平行に置くことによって、非拡大像は除去され得る。90度の角度を有する二重積層レンズセルの場合、偏光は両方とも増大し、入射非偏光は全体的に拡大される。しかしながら、現実には、レンズセル内の直線整列が望ましいが、レンズはずれを持ち込む。その結果、直線偏光を場所依存楕円偏光(図3Bに例示されている位置依存楕円偏光状態など)に変化させる場所依存のねじれがある。結果として、直線偏光子の助けを借りて非拡大像を除去することは可能でない。より具体的には、独立直線偏光(各々拡大像または非拡大像を含む)から生じる楕円偏光は、もはや直線偏光子で分解され得ない。 However, by placing a linear polarizer parallel to the linear alignment direction, the unmagnified image can be eliminated. For a double stacked lens cell with a 90 degree angle, both polarizations are increased and the incident unpolarized light is magnified overall. However, in reality, although linear alignment within the lens cell is desirable, the lens introduces misalignment. As a result, there is a location-dependent twist that changes the linearly polarized light to a location-dependent elliptically polarized light (such as the location-dependent elliptically polarized state illustrated in FIG. 3B). As a result, it is not possible to remove the unmagnified image with the help of a linear polarizer. More specifically, elliptically polarized light originating from independent linearly polarized light (each including magnified or unmagnified images) can no longer be resolved with a linear polarizer.

さらに、2つの積み重ねられたセルを有する完全偏光独立レンズを作ることも困難である。結局、各位置で、両方のセル内の偏光変化が同じであるが90度回転されていることを保証することができなければならないが、これは図3Bに例示されるように2つの等しいレンズセルでは可能でない。 Furthermore, it is also difficult to make a completely polarization independent lens with two stacked cells. Eventually, at each position, it must be possible to ensure that the polarization changes in both cells are the same but rotated 90 degrees, but this requires two equal lenses as exemplified in Figure 3B. This is not possible in cells.

図4は、図1を考慮して説明された実施形態などの電気活性レンズ101のスイッチオフ状態での像を例示している。スイッチオフ状態では、一軸性液晶分子は、好ましくは、電気活性レンズ101の軸方向、すなわち第1の電極106の表面に対して実質的に垂直な方向に整列される。そのようなものとして、この状態では、液晶の屈折率はフレネルレンズ構造102の屈折率に一致する。そのようなものとして、スイッチオフの状態ではレンズ作用は存在しない。繰り返しパターンで配置されている複数の黒色ドットを含むライトスクリーンの像(電気活性レンズ101を通して見たときの)は401に例示されている。ここで、スクリーンのドットも繰り返しパターンとして見える。パターン401は、スクリーン上に配置されたドットの同じパターンである。 FIG. 4 illustrates an image in a switched-off state of an electro-active lens 101 such as the embodiment described in view of FIG. In the switched-off state, the uniaxial liquid crystal molecules are preferably aligned in the axial direction of the electro-active lens 101, ie in a direction substantially perpendicular to the surface of the first electrode 106. As such, in this state, the refractive index of the liquid crystal matches the refractive index of the Fresnel lens structure 102. As such, there is no lens action in the switched-off state. An image of a light screen (as viewed through electro-active lens 101) containing a plurality of black dots arranged in a repeating pattern is illustrated at 401. Here, the dots on the screen are also visible as a repeating pattern. Pattern 401 is the same pattern of dots placed on the screen.

電気活性レンズ101がスイッチオンされた場合、液晶は、好ましくは、半径方向、すなわち第1の電極106の表面に実質的に平行な方向に整列される。そのようなものとして、液晶の屈折率は、フレネルレンズ構造102の屈折率に一致せず、レンズ作用が取得される。複数のドットを含むライトスクリーンの像は、像401に例示されているように拡大される。しかしながら、拡大は、2つの直交偏光に対して同じではない。たとえば、ドット402および403は、異なる偏光に属する別々のドットであり、理想的にはこれらのドットは一致して1つのドットを形成し、すなわち理想的には偏光独立の拡大率が取得される。 When the electro-active lens 101 is switched on, the liquid crystals are preferably aligned in a radial direction, ie in a direction substantially parallel to the surface of the first electrode 106. As such, the refractive index of the liquid crystal does not match the refractive index of the Fresnel lens structure 102 and a lens effect is obtained. A light screen image containing multiple dots is magnified as illustrated in image 401. However, the magnification is not the same for two orthogonal polarizations. For example, dots 402 and 403 are separate dots belonging to different polarizations, ideally these dots coincide to form one dot, i.e. ideally a polarization independent magnification is obtained .

この問題は、主に電極によって液晶層上に電界が印加された状態で発生するので、次の説明では、明らかに異なる場合を除き、そのような状態に関係する。 This problem mainly occurs in conditions where an electric field is applied on the liquid crystal layer by the electrodes, so the following description will relate to such conditions, except where clearly different.

図5は、上で識別されている問題が解決された電気活性レンズ501の一実施形態を例示している。電気活性レンズ501は、図1の電気活性レンズ101と実質的に同じコンポーネントを含み、類似の参照数字(400番より上)は、類似の要素を指す。開示を不明瞭にしないために、この図にも当てはまる、同じ説明はここで繰り返されない。電気活性レンズ501は、(図では上から下へ)第1の基板504、第1の電極層506、整列層506、LC材料の層513および回折構造502を充填されたキャビティ508、さらなる整列層512、第2の電極層、および第2の基板505を含む。それに加えて、電気活性レンズ501は、第1の基板504と電極層506との間に配置された偏光子層560を備える。 FIG. 5 illustrates one embodiment of an electro-active lens 501 in which the problems identified above are resolved. Electro-active lens 501 includes substantially the same components as electro-active lens 101 of FIG. 1, and like reference numbers (above 400) refer to like elements. In order not to obscure the disclosure, the same description that also applies to this figure will not be repeated here. The electro-active lens 501 comprises (from top to bottom in the figure) a first substrate 504, a first electrode layer 506, an alignment layer 506, a layer of LC material 513 and a cavity 508 filled with a diffractive structure 502, a further alignment layer. 512, a second electrode layer, and a second substrate 505. Additionally, electro-active lens 501 includes a polarizer layer 560 disposed between first substrate 504 and electrode layer 506.

図6は、上で識別されている問題が解決された電気活性レンズ801のさらなる一実施形態も例示している。電気活性レンズ801は、図5の電気活性レンズ501と実質的に同じコンポーネントを含み、類似の参照数字(300番より上)は、類似の要素を指す。開示を不明瞭にしないために、この図にも当てはまる、同じ説明はここで繰り返されない。それに加えて、電気活性レンズ801は、偏光子層860を備え、その機能は後で説明される。この実施形態における偏光子層860は、第1の基板604の上(すなわち、第1の基板804の外側表面)に配置される。 FIG. 6 also illustrates a further embodiment of an electro-active lens 801 in which the problems identified above are resolved. Electro-active lens 801 includes substantially the same components as electro-active lens 501 of FIG. 5, and like reference numbers (above 300) refer to like elements. In order not to obscure the disclosure, the same description that also applies to this figure will not be repeated here. In addition, the electro-active lens 801 comprises a polarizer layer 860, the function of which will be explained later. Polarizer layer 860 in this embodiment is disposed over first substrate 604 (ie, on the outer surface of first substrate 804).

図7は、2つのレンズ部品651と652との間に配置されている図5の光学デバイスからなるレンズユニット650の分解図を示している。これらの2つのレンズユニット650は、人によって着用されるべき眼鏡のフレーム内に配置され、オフ状態とオン状態との間でレンズユニットの屈折力を人が変化させることを可能にするものとしてよい。 FIG. 7 shows an exploded view of a lens unit 650 consisting of the optical device of FIG. 5 placed between two lens parts 651 and 652. These two lens units 650 may be placed within a frame of eyeglasses to be worn by a person, allowing the person to change the optical power of the lens units between an off state and an on state. .

図5~図7の実施形態において、偏光子層560、860を形成する直線偏光子が提供される。偏光層は、第1の直線偏光を通過させ、前記第1の直線偏光に直交する第2の直線偏光を実質的に遮断するように構成される。さらに、偏光子層は、第1の直線偏光が、第1の電極506、806の近くの位置における液晶層508、808の液晶の整列に実質的に平行になるように整列される。たとえば、直線偏光子560、860は、軸方向(z方向)に進む電磁波の第1の横断方向(たとえばx方向)の偏光を通過させながら、第2の横断方向(たとえば第1の横断方向およびz方向に垂直なy方向、すなわちxz平面に垂直な方向)の偏光を遮断し得る。この例では、第1の電極506、806の近くの液晶の整列は、x方向にある。さらに、回折構造502、802の任意のブレイズ510の外側表面(または回折構造502、802の上に設けられた第2の整列層の任意のブレイズの外側表面)からキャビティ508、808に面する整列層561、861の外部表面まで測定された液晶層508、808の厚さd0は、液晶層がモーガン条件(式1)を満たすような厚さである。これによって、図4に例示されているような二重像401が防止される。 In the embodiments of FIGS. 5-7, linear polarizers forming polarizer layers 560, 860 are provided. The polarizing layer is configured to pass a first linearly polarized light and substantially block a second linearly polarized light orthogonal to the first linearly polarized light. Further, the polarizer layer is aligned such that the first linearly polarized light is substantially parallel to the alignment of the liquid crystals of the liquid crystal layer 508, 808 at a location proximate the first electrode 506, 806. For example, a linear polarizer 560, 860 may pass a first transverse direction (e.g., Polarized light in the y direction perpendicular to the z direction, that is, the direction perpendicular to the xz plane) can be blocked. In this example, the alignment of the liquid crystal near the first electrode 506, 806 is in the x direction. Additionally, alignment facing the cavity 508, 808 from the outer surface of any blazes 510 of the diffractive structure 502, 802 (or the outer surface of any blaze of the second alignment layer provided above the diffractive structure 502, 802) The thickness d0 of the liquid crystal layer 508, 808 measured to the outer surface of the layer 561, 861 is such that the liquid crystal layer satisfies the Morgan condition (Equation 1). This prevents double images 401 as illustrated in FIG. 4.

当業者であれば、厚さd0は、また、モーガン条件(式1)が完全に満たされはしないように選択され得るが、ある程度は導波効果が依然として生じることを認識するであろう。たとえば、厚さd0について、
であり、f≧1であり、90°のねじれに対するグーチ・タリーのよく知られている代替的条件が、偏光状態の影響を評価するために使用され得る。平行な偏光子同士の間に置かれたそのようなねじれセルの透過率を、厚さdの関数として計算される(図X参照)。透過率は、最小値が式
で決定される場合に一連の値を通り、Mは整数である[参照:非特許文献2]。
Those skilled in the art will recognize that the thickness d0 may also be selected such that the Morgan condition (Equation 1) is not completely satisfied, but some waveguiding effect still occurs. For example, regarding the thickness d0,
, f≧1, and the well-known Gooch-Tully alternative condition for a 90° twist can be used to evaluate the influence of polarization state. The transmittance of such a twisted cell placed between parallel polarizers is calculated as a function of the thickness d (see Figure X). For transmittance, the minimum value is the formula
, where M is an integer [Reference: Non-Patent Document 2].

多くのデバイスでは、必要な最小厚さを定義するために透過率の第1の最小値が使用されるが、ここでは、主な欠点は、第1の最小値が単一の波長に対してのみ保持されることである。物理的に、このことは、第1の最小値の厚さについては、結果の偏光状態が他のほとんどの波長に対して純粋に直線的でないことを意味する。一般に、偏光状態は楕円になり、その主要な寄与は依然として好ましい方向(すなわち、対向基板上の整列方向)に沿ったものである。整数Mを大きくし、複数の波長について計算を実行することによって、われわれは、ほぼ同様の透過率値を有する最適な厚さd0を取得し、導波条件は十分に満たされていると考えられ得る。したがって、モーガン条件の左辺に厚さ値を代入すると、fは、結果の偏光状態の所望の純度、目標とする波長範囲、およびLC材料の複屈折率に応じて、約1、2、5、または10であることがわかる。 In many devices, the first minimum value of transmittance is used to define the required minimum thickness, but here the main drawback is that the first minimum value is Only the following shall be retained. Physically, this means that for the first minimum thickness, the resulting polarization state is not purely linear for most other wavelengths. In general, the polarization state will be elliptical, with the main contribution still along the preferred direction (ie, the alignment direction on the counter substrate). By increasing the integer M and performing calculations for multiple wavelengths, we obtain an optimal thickness d0 with approximately similar transmittance values, and the waveguiding conditions are considered to be fully satisfied. obtain. Therefore, substituting the thickness value on the left side of the Morgan condition, f is approximately 1, 2, 5, or 10.

上記の解決方法は、液晶層508のほとんどの領域の厚さが第1の電極506に最も近いブレイズ510の部分から測定されたときに実質的にd0より大きいのでそれでも実質的に問題を解決し得る。 The above solution still substantially solves the problem since the thickness of most regions of the liquid crystal layer 508 is substantially greater than d0 when measured from the part of the blaze 510 closest to the first electrode 506. obtain.

さらに、偏光層560は、第1の基板504と第1の電極506との間(図5に示されているように)、第1の電極806と第1の整列層811の間、または第1の基板804(図6)の上に置いてよい。 Additionally, the polarizing layer 560 may be arranged between the first substrate 504 and the first electrode 506 (as shown in FIG. 5), between the first electrode 806 and the first alignment layer 811, or between the first 1 substrate 804 (FIG. 6).

原理上、第2の基板505、805の側に、たとえば第2の基板と回折構造との間に、偏光子層を設けることも可能である。この場合、場所依存の準球面偏光子層が追加されるべきである。このような場所依存の準球面偏光子は、具体的には、第1の基板504、804、第1の電極506、806、整列層511、811、および液晶層508、808を通過した後にフレネルレンズ構造502、802から出現する偏光方向の光を除去するように形成され得る。場所依存の準球面偏光子であれば、前記出現する光の非屈折偏光成分を正確に除去するような球面形状を有するであろう。この目的のために、電気活性レンズ501は、指定されたパターンを有するであろう。たとえば、図3を参照すると、場所依存の準球面偏光子であれば、外形300を有する電気活性レンズに組み込まれたときに、矢印301、302、303、304、および305の各々がそれぞれ配置される場所において矢印301、302、303、304、および305の各々に垂直な偏光方向を有する光を遮断するであろう。この場合、各厚さd0、各フレネルレンズ構造502、および各液晶層について、光の偏光方向に関する測定を実行して、フレネルレンズ構造502を電気活性レンズ内のその各配置(xy平面内の)で出現させそのような測定に従って場所依存の準球面偏光子を形成することが必要になる。 In principle, it is also possible to provide a polarizer layer on the side of the second substrate 505, 805, for example between the second substrate and the diffractive structure. In this case, a location-dependent quasi-spherical polarizer layer should be added. Such a location-dependent quasi-spherical polarizer is specifically a Fresnel polarizer after passing through the first substrate 504, 804, the first electrode 506, 806, the alignment layer 511, 811, and the liquid crystal layer 508, 808. Lens structures 502, 802 may be configured to filter out polarized light emerging from them. A location-dependent quasi-spherical polarizer would have a spherical shape that accurately eliminates the non-refracted polarized component of the emerging light. For this purpose, the electro-active lens 501 will have a specified pattern. For example, referring to FIG. 3, a location-dependent quasi-spherical polarizer, when incorporated into an electro-active lens having profile 300, would be positioned at each of arrows 301, 302, 303, 304, and 305, respectively. will block light having a polarization direction perpendicular to each of the arrows 301, 302, 303, 304, and 305 at a location. In this case, for each thickness d0, each Fresnel lens structure 502, and each liquid crystal layer, measurements regarding the polarization direction of the light are performed to define the Fresnel lens structure 502 at its respective position (in the xy plane) within the electro-active lens. Following such measurements, it becomes necessary to form a location-dependent quasi-spherical polarizer.

さらにまた、第2の基板の側に偏光子層がある上で説明されている実施形態において、第2の解である、任意のブレイズ510の端部から液晶層508の対向端部(すなわち、第1の電極506の近く)までの間で測定された、液晶層の厚さd0は、液晶層がモーガン条件(式1)を満たすような厚さである。これによって、図4に例示されているような二重像が防止される。 Furthermore, in the embodiments described above where there is a polarizer layer on the side of the second substrate, a second solution, from the end of any blaze 510 to the opposite end of the liquid crystal layer 508 (i.e. The thickness d0 of the liquid crystal layer measured up to (near the first electrode 506) is such that the liquid crystal layer satisfies the Morgan condition (Equation 1). This prevents double images as illustrated in FIG. 4.

当業者であれば、厚さd0は、また、モーガン条件(式1)が完全に満たされはしないように選択され得ること、たとえば、厚さd0について部分的に満たされ得る、すなわち
を満たし、ただし、f≧1であり、たとえば、fは約1、2、5、10、または好ましくは、5から10、または>10であり得ることを認識する。上記の解決方法は、液晶層508のほとんどの領域の厚さが第1の電極506に最も近いブレイズ510の部分から測定されたときに実質的にd0より大きいのでそれでも実質的に問題を解決し得る。
Those skilled in the art will also understand that the thickness d0 may also be selected such that the Morgan condition (Equation 1) is not fully satisfied, e.g. it may be partially satisfied for the thickness d0, i.e.
, with f≧1, recognizing that, for example, f can be about 1, 2, 5, 10, or preferably from 5 to 10, or >10. The above solution still substantially solves the problem since the thickness of most regions of the liquid crystal layer 508 is substantially greater than d0 when measured from the part of the blaze 510 closest to the first electrode 506. obtain.

当業者は、第1および第2の解決方法が組み合わされ得ることを認識する。これは、上で説明されている問題を適切に解決し得る。しかしながら、いくつかの実施形態において、2つの偏光層を有することで、光の透過強度を低下させることは好ましくない場合がある。 A person skilled in the art will recognize that the first and second solutions can be combined. This may adequately solve the problem described above. However, in some embodiments, it may not be desirable to have two polarizing layers to reduce the transmitted light intensity.

図8は、上記の問題に対する第3の解決方法を例示している。この図の実施形態では、電気活性レンズ601および601’は、図1の電気活性レンズ101(すなわち、1つまたは複数の偏光子層のないレンズ)と同じコンポーネントを実質的に含み、類似の参照数字は類似の要素を指す(番号500より上)。開示を不明瞭にしないために、この図にも当てはまる、同じ説明はここで完全には繰り返されない。 FIG. 8 illustrates a third solution to the above problem. In the illustrated embodiment, electro-active lenses 601 and 601' include substantially the same components as electro-active lens 101 of FIG. 1 (i.e., a lens without one or more polarizer layers), and similar references Numbers refer to similar elements (above number 500). In order not to obscure the disclosure, the same description that also applies to this figure will not be repeated here in its entirety.

図8は、第1の電気活性レンズ601と、第1の電気活性レンズ601の上に積み重ねられた第2の電気活性レンズ601’とを含む光学デバイス600を示している。図1の電気活性レンズ101と同様に、第1および第2の電気活性レンズ601、601’の各々は、第1の光学的透明基板604、604’および第2の光学的透明基板605、605’を備える。第1および第2の光学的透明基板604、604’、605、605’は、図に示されているように、互いに概して平行に延在し、軸方向(z)および横断方向(x,y)を定める。第1および第2の電気活性レンズ601、601’は、電気活性レンズ601、601’の各々の第2の基板605、605’がスタックの外側にあり、第1の基板604、604’の各々がスタックの内側に配置されるような方式で積み重ねられる。 FIG. 8 shows an optical device 600 that includes a first electro-active lens 601 and a second electro-active lens 601' stacked on top of the first electro-active lens 601. Similar to electro-active lens 101 of FIG. 'Equipped with '. The first and second optically transparent substrates 604, 604', 605, 605' extend generally parallel to each other and are axially (z) and transversely (x, y) as shown. ). The first and second electro-active lenses 601, 601' are arranged such that the second substrate 605, 605' of each of the electro-active lenses 601, 601' is on the outside of the stack and the first substrate 604, 604' of each of the electro-active lenses 601, 601' are stacked in such a way that they are placed inside the stack.

第1の電気活性レンズ601およびさらなる電気活性レンズ601’は、光学的に連通している、すなわち、第2の基板604およびさらなる第2の基板604’は、2つの基板の間に好ましくは光学界面が存在しないように光学的に結合される。図5を考慮して説明されている電気活性レンズと同様に、第1およびさらなる電気活性レンズ601および601’は、回折構造602または602’(またはその上に設けられた整列層612、612’)から回折レンズ構造と反対側の電極、すなわち第1の電気活性レンズ601の電極606または第2の電気活性レンズ601の電極606’、それぞれの整列層611、611’までの間でそれぞれ測定された、厚さd1およびd2を有する。厚さd1およびd2の各々は、第1の電気活性レンズ601の液晶層613および第2の電気活性レンズ601’の液晶層613’がモーガン条件(式1)を満たすような厚さである。これによって、図4に例示されているような二重像401が防止されるか、またはかなりの程度まで少なくとも低減される。 The first electro-active lens 601 and the further electro-active lens 601' are in optical communication, i.e. the second substrate 604 and the further second substrate 604' are preferably in optical communication between the two substrates. Optically coupled so that no interface exists. Similar to the electro-active lenses described in view of FIG. ) to the electrode opposite the diffractive lens structure, i.e. the electrode 606 of the first electro-active lens 601 or the electrode 606' of the second electro-active lens 601, respectively, to the respective alignment layers 611, 611'. It also has thicknesses d1 and d2. Each of the thicknesses d1 and d2 is such that the liquid crystal layer 613 of the first electro-active lens 601 and the liquid crystal layer 613' of the second electro-active lens 601' satisfy the Morgan condition (Equation 1). This prevents, or at least reduces to a significant extent, double images 401 as illustrated in FIG. 4.

第1の電極606およびさらなる第1の電極606’は、それぞれ、整列層611、611’、たとえばこすることで処理されたポリイミド層を含む。整列層611および611’の対向する表面上の液晶の整列は、相互に直交している。たとえば、第1の液晶層613の液晶は、第1の電極606の整列層611に近い表面上でx方向に整列され、第2の液晶層613’の液晶は、さらなる第1の電極606’の整列層611’に近い表面上でy方向(図示せず、x方向およびz方向に垂直)に整列される。それによって、第1の電気活性レンズ601上に入射した光の第1の偏光が第1の電気活性レンズ601によって拡大され、第1の電気活性レンズ601上に入射した光の第2の偏光(第1の偏光方向に直交している)が拡大されない場合、さらなる電気活性レンズ601’上に入射した光の拡大された第1の偏光は、さらなる電気活性レンズ601’によってさらに拡大されることはなく、さらなる電気活性レンズ601’上に入射した光の第2の偏光は拡大される。これによって、光学デバイス600を構成する、第1の電気活性レンズ601およびさらなる電気活性レンズ601’は、連携して、偏光独立の拡大を提供する。 The first electrode 606 and the further first electrode 606' each include an alignment layer 611, 611', for example a polyimide layer treated by rubbing. The alignments of liquid crystals on opposing surfaces of alignment layers 611 and 611' are mutually orthogonal. For example, the liquid crystals of the first liquid crystal layer 613 are aligned in the x direction on the surface close to the alignment layer 611 of the first electrode 606, and the liquid crystals of the second liquid crystal layer 613' are aligned in the y-direction (not shown, perpendicular to the x- and z-directions) on the surface near the alignment layer 611'. Thereby, the first polarization of the light incident on the first electro-active lens 601 is magnified by the first electro-active lens 601, and the second polarization ( (perpendicular to the first polarization direction) is not expanded, the expanded first polarization of the light incident on the further electro-active lens 601' cannot be further expanded by the further electro-active lens 601'. Instead, the second polarization of the light incident on the further electro-active lens 601' is magnified. Thereby, the first electro-active lens 601 and the further electro-active lens 601' making up the optical device 600 cooperate to provide polarization-independent magnification.

製造を目的として、d1およびd2が同一である場合、または第1の電気活性レンズ601およびさらなる電気活性レンズ601’が実質的に同一であることが好ましい場合がある。それによって、両方の要素は、生産方法について同じパラメータを使用して形成され得る。しかしながら、いくつかの実施形態において、d1およびd2は異なっていてもよい(すなわち、ブレイズ高さは、回折レンズ要素がフレネルレンズ要素である場合に異なり得る)。第1の電気活性レンズのフレネルレンズ要素のブレイズ位置が第2の電気活性レンズのフレネルレンズ要素のブレイズ位置と異なり得ることすらある。たとえば、ブレイズ高さは、ブレイズ縁が正確に整列される必要がないときに両方の電気活性レンズにおいてわずかに異なり得る。好ましい実施形態において、しかしながら、第1の電気活性レンズ601の屈折力は、第2の電気活性レンズ601’の屈折力と同じである。 For manufacturing purposes, it may be preferred if d1 and d2 are the same, or that the first electro-active lens 601 and the further electro-active lens 601' are substantially the same. Thereby, both elements can be formed using the same parameters for the production method. However, in some embodiments, d1 and d2 may be different (ie, the blaze heights may be different if the diffractive lens element is a Fresnel lens element). It is even possible that the blaze position of the Fresnel lens elements of the first electro-active lens is different from the blaze position of the Fresnel lens elements of the second electro-active lens. For example, the blaze height may be slightly different on both electro-active lenses when the blaze edges do not need to be precisely aligned. In a preferred embodiment, however, the optical power of the first electro-active lens 601 is the same as the optical power of the second electro-active lens 601'.

この第3の解決方法は、電気活性レンズ601および601’上に入射する光の強度が実質的に保存されるという点で第1および第2の解決方法に勝る利点を提供し得るが、第1および第2の解決方法は少なくとも1つの偏光子に起因して光の強度を下げる。他方で、第1および第2の解決方法によるユニットは、第3の解決方法に比べて比較的薄くなり得る。用途に応じて、第1、第2、第3のいずれか、またはこれらの任意の組合せが適用され得る。 This third solution may offer an advantage over the first and second solutions in that the intensity of the light incident on the electro-active lenses 601 and 601' is substantially conserved, but The first and second solutions reduce the intensity of the light due to at least one polarizer. On the other hand, the units according to the first and second solutions can be relatively thin compared to the third solution. Depending on the application, any one of the first, second, third, or any combination thereof may be applied.

電気活性レンズの寸法および所望の光学的品質に応じて、回折レンズ構造の上にある整列層(たとえば、整列層512)は、同様にプレチルトを含むものとしてよく、整列層は、第1の電極上の整列層の直線整列方向と平行である優先方向を有する。このプレチルトを導入することが、一般的に、ねじれ角の値を小さくし、モーガン条件値を大きくする。これは、より良好な光学性能をもたらす。 Depending on the dimensions and desired optical qualities of the electro-active lens, an alignment layer (e.g., alignment layer 512) overlying the diffractive lens structure may also include a pretilt, with the alignment layer It has a preferred direction that is parallel to the linear alignment direction of the overlying alignment layer. Introducing this pretilt generally reduces the value of the twist angle and increases the Morgan condition value. This results in better optical performance.

図9は、図8の電気活性ユニットの概略分解図である。ここでは、説明の都合上、いくつかのコンポーネントが省かれている。第1の電気活性レンズ701とさらなる電気活性レンズ711は、実際は光学的に連通している。 FIG. 9 is a schematic exploded view of the electroactive unit of FIG. 8. Some components have been omitted here for clarity. The first electro-active lens 701 and the further electro-active lens 711 are actually in optical communication.

第2の電極707と第1の電極706との間に、液晶層およびフレネルレンズ構造が配設されている(図示せず)。第2の電極707と第1の電極706との間の距離は、その間に配設されている液晶がモーガン条件(式1)を満たすような距離である。第1の電極706は、730で概略として例示されている整列層を設けられている。液晶は第1の電極706上で整列方向730に平行に整列されるからである。第2の電極707上では、液晶は、第1のフレネルレンズ構造(図示せず)の幾何学的形状により、概略パターン731に従って整列し得る。この概略パターンは、中心から始まる星形であってよい。第2の電極707上の整列パターンは、たとえば、第2の電極707に近い液晶と接触する表面(たとえば、フレネルレンズ構造または電極707の表面またはその上に設けられた層(液晶層を含まない))のこすることにより、異なることもあり得ることに留意されたい。たとえば、電極707の近くの表面をこすることに起因して、前記電極上の配列は、図3Aを考慮して説明されている配向に類似し得る。 A liquid crystal layer and a Fresnel lens structure are disposed between the second electrode 707 and the first electrode 706 (not shown). The distance between the second electrode 707 and the first electrode 706 is such that the liquid crystal disposed therebetween satisfies the Morgan condition (Equation 1). First electrode 706 is provided with an alignment layer illustrated schematically at 730 . This is because the liquid crystals are aligned parallel to the alignment direction 730 on the first electrode 706. On the second electrode 707, the liquid crystals may be aligned according to a general pattern 731 due to the geometry of the first Fresnel lens structure (not shown). This general pattern may be a star starting from the center. The alignment pattern on the second electrode 707 is, for example, a surface in contact with the liquid crystal close to the second electrode 707 (e.g., a Fresnel lens structure or a layer provided on the surface of the electrode 707 (not including a liquid crystal layer)). Note that the rubbing of )) can also be different. For example, due to rubbing the surface near the electrode 707, the arrangement on said electrode may be similar to the orientation described in consideration of FIG. 3A.

さらなる第2の電極717とさらなる第1の電極716との間に、液晶層およびフレネルレンズ構造が配設されている(図示せず)。さらなる第2の電極717とさらなる第1の電極716との間の距離は、その間に配設されている液晶がモーガン条件(式1)を満たすような距離である。さらなる第1の電極716は、740で概略として例示されている整列層を設けられている。われわれはさらなる第1の電極716において均一な直線偏光状態を取得したいので、さらなる電気活性レンズ711内の液晶は、さらなる第1の電極716上で整列方向740に平行に整列する。さらなる第2の電極717上では、液晶は、第2のフレネルレンズ構造(図示せず)の幾何学的形状により、概略パターン741に従って整列し得る。さらなる第2の電極717上の整列パターンは、たとえば、さらなる第2の電極717に近い液晶と接触する表面(たとえば、フレネルレンズ構造または電極717の表面またはその上に設けられた層(液晶層を含まない))のこすることにより、異なることもあり得ることに留意されたい。たとえば、電極717の近くの表面をこすることに起因して、前記電極上の配列は、図3Aを考慮して説明されている整列に類似し得る。 A liquid crystal layer and a Fresnel lens structure are arranged between the further second electrode 717 and the further first electrode 716 (not shown). The distance between the further second electrode 717 and the further first electrode 716 is such that the liquid crystal disposed therebetween satisfies the Morgan condition (Equation 1). A further first electrode 716 is provided with an alignment layer illustrated schematically at 740 . Since we want to obtain a uniform linear polarization state on the further first electrode 716, the liquid crystal in the further electro-active lens 711 is aligned parallel to the alignment direction 740 on the further first electrode 716. On the further second electrode 717, the liquid crystals may be aligned according to a general pattern 741 due to the geometry of the second Fresnel lens structure (not shown). The alignment pattern on the further second electrode 717 may be, for example, a surface in contact with the liquid crystal close to the further second electrode 717 (e.g. a Fresnel lens structure or a layer provided on or on the surface of the electrode 717 (a liquid crystal layer)). Note that it may be different depending on the rubbing of (not including)). For example, due to rubbing the surface near the electrode 717, the arrangement on said electrode may be similar to the arrangement described in view of FIG. 3A.

さらなる第1の整列方向740に関する第1の整列方向730の整列は、直交している。それによって、上で説明されているように、第1の偏光が第1の電気活性レンズ701によって拡大され、第2の偏光方向(第1の偏光方向に直交する)が拡大されない場合、第2の偏光は、さらなる電気活性レンズ711によって拡大され、第1の偏光方向(第1の偏光方向に直交する)は拡大されない。それによって、両方の直交する偏光方向が拡大され、偏光独立の拡大が達成される。 The alignment of the first alignment direction 730 with respect to the further first alignment direction 740 is orthogonal. Thereby, if the first polarized light is expanded by the first electro-active lens 701 and the second polarization direction (orthogonal to the first polarization direction) is not expanded, the second is magnified by the further electro-active lens 711, and the first polarization direction (orthogonal to the first polarization direction) is not magnified. Thereby, both orthogonal polarization directions are expanded and polarization-independent expansion is achieved.

例示的な実施形態
次の非限定的な実施例において、例示的なレンズ直径は21mmである、すなわち、フレネルレンズ構造(102、502、602、および612など)は、x方向およびy方向の直径を有し、直径は両方とも21mmである。
Exemplary Embodiments In the following non-limiting examples, an exemplary lens diameter is 21 mm, i.e., the Fresnel lens structures (such as 102, 502, 602, and 612) have diameters in the x and y directions. and both have a diameter of 21 mm.

液晶の複屈折およびセル内の最大ねじれに加えて、セルの厚さも重要なパラメータである。レンズ全体を通してモーガンレジームが達成され、フレネルブレイズ内で厚さが変化するようにすることを確実にするために、フレネルレンズ構造の上のスペーサ高さを十分に高く設計することが重要である。このようにして、このレジームは、好ましくはブレイズの最高点より上でも達成される。 In addition to the birefringence of the liquid crystal and the maximum twist within the cell, the cell thickness is also an important parameter. It is important to design the spacer height above the Fresnel lens structure sufficiently high to ensure that the Morgan regime is achieved throughout the lens and that the thickness varies within the Fresnel blazes. In this way, this regime is preferably achieved even above the highest point of the blaze.

このレジームを使用することで、レンズ表面上の直線整列方向を完全に指定し、こすられない、または光整列処理を受けるホメオトロピック整列層を施した結果得られる円対称整列のみを使用することすら可能である。それでもなお、いくつかの実施形態では、このようなことはあり得る。結局、レンズの上のスペーサの高さ、モーガンレジームが達成される程度、ならびにレンズのスイッチング電圧および速度の間にはトレードオフの関係がある。特定のスペーサ高さおよびレンズ表面上の(準)直線整列方向(図3Aのような)を有するレンズセルは、レンズ表面上で円対称整列方向を有する同じレンズセルに比べて良好な光学的品質を有するが、それは前者がモーガンレジームにおいてより深いからである。(準)直線整列方向および円対称整列方向を有するレンズセルに比べて小さいスペーサの高さを有するレンズセルは、類似する光学的品質を有し得るが、オフ状態とオン状態との切り替えは高速である。 Using this regime, it is possible to completely specify the linear alignment direction on the lens surface, and even use only the circularly symmetrical alignment that results from applying a homeotropic alignment layer that does not rub or undergoes a photoalignment process. It is possible. Nevertheless, in some embodiments this may be the case. Ultimately, there is a trade-off between the height of the spacer above the lens, the degree to which the Morgan regime is achieved, and the switching voltage and speed of the lens. A lens cell with a certain spacer height and a (quasi-)linear alignment direction on the lens surface (as in Figure 3A) has better optical quality compared to the same lens cell with a circularly symmetrical alignment direction on the lens surface. , because the former is deeper in the Morgan regime. A lens cell with a smaller spacer height compared to a lens cell with a (quasi-)linear alignment direction and a circularly symmetrical alignment direction may have similar optical quality, but a faster switching between off and on states. It is.

電気活性レンズを検査するためにハルトマン検査が使用された。(図4にあるものなどの)投影ドットのマトリックスのコントラスト値を使用することで、電気活性レンズの品質が決定された。次の例では、電気活性レンズが内側から外側へと3つの同心円状ゾーンC1、C2、およびC3に分割される。ゾーン全体にわたり平均コントラスト値は、ゾーン全体内の品質を要約したものである。 The Hartmann test was used to test electro-active lenses. The quality of the electro-active lens was determined by using the contrast value of the matrix of projected dots (such as that in Figure 4). In the following example, the electro-active lens is divided from inside to outside into three concentric zones C1, C2, and C3. The average contrast value across the zone summarizes the quality within the entire zone.

(実施例1(本開示によるものではない))
モーガンレジームがほとんどないオフ状態の電気活性レンズのハルトマン検査画像。この電気活性レンズは、16ミクロンのブレイズ高さ、3ミクロンの追加スペーサ高さを有し、Δn=0.2の液晶を有する。この電気活性レンズは、液晶層の両側でこすられた。おそらく、LCは、頂部基板上で直線的に整列され、整列方向は下部基板(フレネルレンズ構造の近く)上であり、整列は図3Aのような整列を近似する。オフ状態の結果は、図4の項目400に例示されている。オン状態では、像は項目401に似ており、ここでは非拡大像および拡大像は互いに重なり合う。
(Example 1 (not according to the present disclosure))
Hartmann test image of an electro-active lens in the off state with almost no Morgan regime. This electro-active lens has a blaze height of 16 microns, an additional spacer height of 3 microns, and a liquid crystal of Δn=0.2. This electro-active lens was rubbed on both sides of the liquid crystal layer. Presumably, the LCs are linearly aligned on the top substrate and the alignment direction is on the bottom substrate (near the Fresnel lens structure), with the alignment approximating the alignment as in FIG. 3A. The result of the off state is illustrated in item 400 of FIG. In the on state, the image is similar to item 401, where the unmagnified and magnified images overlap each other.

(実施例2(本開示によるものではない))
モーガンレジームがほとんどないオフ状態の電気活性レンズ(図10A)。この実施例の電気活性レンズは、実施例1の電気活性レンズと実質的に同じである。図10Aは、ハルトマン検査のドットの個別のコントラスト値のうちのコントラスト値で補足された、オン状態を例示する図である。この結果は、上側基板の直線整列方向に平行な、上側基板の側に直線偏光子を使用して取得される。C1、C2、およびC3の値からわかるように、コントラスト値は中程度でしかない。
(Example 2 (not according to the present disclosure))
Electroactive lens in the off-state with almost no Morgan regime (Fig. 10A). The electro-active lens of this example is substantially the same as the electro-active lens of Example 1. FIG. 10A is a diagram illustrating the on state supplemented with contrast values of the individual contrast values of the Hartmann test dots. This result is obtained using a linear polarizer on the side of the upper substrate parallel to the linear alignment direction of the upper substrate. As can be seen from the values of C1, C2, and C3, the contrast value is only moderate.

図10Aから導出され得るように、C1の値は0.553であり、領域AA1に対応し、C2の値は0.434であり、領域AA2に対応し、C3の値は0.377であり、領域AA3に対応する。 As can be derived from FIG. 10A, the value of C1 is 0.553, corresponding to area AA1, and the value of C2 is 0.434, corresponding to area AA2, and the value of C3 is 0.377. , corresponds to area AA3.

(実施例3(本開示の第1の解決方法による))
モーガンレジームにおけるオン状態の電気活性レンズ(図10B)。この実施例は、フレネルレンズ構造の表面がこすられたモーガンレジームにおける電気活性レンズに関係する。ブレイズ高さは15ミクロンであり、10ミクロンの追加スペーサ高さがあり、Δn = 0.25である。電気活性レンズは、対向電極基板の直線整列方向に平行な、上側基板の側で直線偏光子を用いて測定される。この電気活性レンズは、(実施例2~4の)最も良好なコントラスト値を有するが、それは電気活性レンズの最大ねじれが制限されているからである。
(Example 3 (according to the first solution method of the present disclosure))
Electroactive lens in the on-state in the Morgan regime (FIG. 10B). This example concerns an electro-active lens in the Morgan regime where the surface of the Fresnel lens structure has been rubbed. The blaze height is 15 microns, with an additional spacer height of 10 microns, and Δn = 0.25. The electro-active lens is measured using a linear polarizer on the side of the upper substrate parallel to the linear alignment direction of the counter electrode substrate. This electro-active lens has the best contrast values (of Examples 2-4) because the maximum twist of the electro-active lens is limited.

図10Bを見るとわかるように、C1の値は0.532であり、領域BA1に対応し、C2の値は0.48であり、領域BA2に対応し、C3の値は0.453であり、領域BA3に対応する。 As can be seen from FIG. 10B, the value of C1 is 0.532, which corresponds to area BA1, and the value of C2 is 0.48, which corresponds to area BA2, and the value of C3 is 0.453. , corresponds to area BA3.

(実施例4(本開示の第1の解決方法による))
モーガンレジームにおけるオン状態の電気活性レンズ(図10C)。この実施例は、フレネルレンズ構造の表面がこすられなかったモーガンレジームにおける電気活性レンズに関係する。ブレイズ高さは15ミクロンであり、10ミクロンの追加スペーサ高さがあり、Δn = 0.25である。電気活性レンズは、対向電極の直線整列方向に平行な、上側基板の側で直線偏光子を用いて測定される。電気活性レンズは、もっぱら外側C3ゾーンのところで、第2の実施例に比べて良好なコントラスト値を示す。
(Example 4 (according to the first solution method of the present disclosure))
Electroactive lens in the on-state in the Morgan regime (Fig. 10C). This example concerns an electro-active lens in the Morgan regime where the surface of the Fresnel lens structure was not rubbed. The blaze height is 15 microns, with an additional spacer height of 10 microns, and Δn = 0.25. The electro-active lens is measured using a linear polarizer on the side of the upper substrate parallel to the linear alignment direction of the counter electrodes. The electro-active lens shows better contrast values compared to the second example exclusively in the outer C3 zone.

図10Cを見るとわかるように、C1の値は0.562であり、領域CA1に対応し、C2の値は0.487であり、領域CA2に対応し、C3の値は0.442であり、領域CA3に対応する。 As can be seen in FIG. 10C, the value of C1 is 0.562, which corresponds to area CA1, and the value of C2 is 0.487, which corresponds to area CA2, and the value of C3 is 0.442. , corresponds to area CA3.

上記の実施例から、本開示が電気活性レンズの品質を改善することが客観的に、定量的に実証され得る。 From the above examples, it can be objectively and quantitatively demonstrated that the present disclosure improves the quality of electro-active lenses.

本開示は、説明されている特定の態様に限定されず、そのようなものとして、異なる場合のあることは理解されるべきである。また、本開示の範囲は付属の特許請求の範囲のみによって制限されるので、本明細書で使用されている用語は特定の態様のみを説明することを目的としており限定的であることを意図されていないことは理解されるべきである。 It is to be understood that this disclosure is not limited to the particular aspects described, as such may vary. Additionally, the terminology used herein is for the purpose of describing particular aspects only and is intended to be limiting, as the scope of the disclosure is limited only by the appended claims. It should be understood that this is not the case.

101 電気活性レンズ
102 回折レンズ構造
103 境界
104 第1の基板
105 第2の基板
106 第1の電極
107 第2の電極
108 キャビティ
108a、108b 中間空間
109 スペーサ
110 ブレイズ
111 整列層
112 第2の整列層
113 ネマチック液晶(LC)層
201 表面
200、210 表面
205 液晶
300 レンズ外形
301、302、303、304、305 矢印
306 方向
310 レンズ外形
311 第2の中心配向
312 第2の左下配向
313 第2の右下配向
314 第2の上配向
315 第2の右上配向
400 項目
401 拡大像
402 ドット
403 ドット
501 電気活性レンズ
502 回折構造
502、802 回折構造
504 第1の基板
505 第2の基板
506 第1の電極層
506 整列層
506、806 第1の電極
508 キャビティ
508、808 液晶層
510 ブレイズ
511 整列層
512 整列層
513 LC材料の層
560 偏光子層
561、861 整列層
600 光学デバイス
601、601’ 電気活性レンズ
602、602’ 回折構造
604 第1の基板
604、604’ 第1の光学的透明基板
605、605’ 第2の光学的透明基板
606’ 電極
611、611’ 整列層
612、612’ 整列層
613、613’ 液晶層
701 第1の電気活性レンズ
706 第1の電極
707 第2の電極
711 電気活性レンズ
716 第1の電極
717 第2の電極
730 整列方向
731 概略パターン
740 整列方向
741 概略パターン
801 電気活性レンズ
804 第1の基板
806 第1の電極
811 第1の整列層
860 偏光子層
101 Electro-active lens 102 Diffractive lens structure 103 Boundary 104 First substrate 105 Second substrate 106 First electrode 107 Second electrode 108 Cavity 108a, 108b Intermediate space 109 Spacer 110 Blaze 111 Alignment layer 112 Second alignment layer 113 Nematic liquid crystal (LC) layer 201 Surface 200, 210 Surface 205 Liquid crystal 300 Lens outer shape 301, 302, 303, 304, 305 Arrow 306 Direction 310 Lens outer shape 311 Second center orientation 312 Second lower left orientation 313 Second right Down orientation 314 Second up orientation 315 Second upper right orientation 400 Item 401 Enlarged image 402 Dot 403 Dot 501 Electro-active lens 502 Diffractive structure 502, 802 Diffractive structure 504 First substrate 505 Second substrate 506 First electrode Layers 506 alignment layer 506, 806 first electrode 508 cavity 508, 808 liquid crystal layer 510 blaze 511 alignment layer 512 alignment layer 513 layer of LC material 560 polarizer layer 561, 861 alignment layer 600 optical device 601, 601' electro-active lens 602, 602' diffractive structure 604 first substrate 604, 604' first optically transparent substrate 605, 605' second optically transparent substrate 606' electrode 611, 611' alignment layer 612, 612' alignment layer 613, 613' Liquid crystal layer 701 First electroactive lens 706 First electrode 707 Second electrode 711 Electroactive lens 716 First electrode 717 Second electrode 730 Alignment direction 731 General pattern 740 Alignment direction 741 General pattern 801 Electroactive Lens 804 First substrate 806 First electrode 811 First alignment layer 860 Polarizer layer

Claims (29)

眼鏡類において使用するための光学デバイスであって、前記光学デバイスは、光の調整可能な透過のための第1の電気活性レンズを備え、前記電気活性レンズは
- 第1および第2の光学的透明基板であって、前記第1および第2の光学的透明基板は、互いに概して平行に延在し、軸方向(z)および横断方向(x,y)を定める、第1および第2の光学的透明基板と、
- 前記第2の光学的透明基板の側で前記第1の光学的透明基板と前記第2の光学的透明基板との間に配置された、フレネルレンズ構造などの回折レンズ構造と、
- 前記第1の光学的透明基板上に形成された第1の光学的透明電極、および前記第2の光学的透明基板上または前記回折レンズ構造上に形成された第2の光学的透明電極と、
- 前記第1の光学的透明基板と前記第2の光学的透明基板との間の封止されたキャビティ(108)であって、前記封止されたキャビティ内に、前記回折レンズ構造およびネマチック液晶(LC)材料の少なくとも1つのLC層が配置され、前記ネマチック液晶(LC)材料中の液晶が、オフ状態で概して軸方向に整列され、
前記第1の光学的透明電極は、前記LC層と接触する接触表面を有し、前記オフ状態でプレチルトを導入することによりオン状態でネマチック液晶材料中の液晶を第1の水平方向に直線的に整列するように構成されている整列層を備える、封止されたキャビティ(108)と、
前記第1の水平方向に垂直である第2の水平方向において偏光を有する光を調整するように構成されている偏光要素と、
を備え、
ネマチック液晶材料の前記LC層は、前記第1の光学的透明電極に最も近い前記回折レンズ構造の部分と、前記第1の光学的透明電極上の前記整列層の前記接触表面との間で測定された、厚さ(D)を有し、
前記厚さ(D)は、条件1<(πD(n-n)/(φλ)<200を満たすように選択され、nは、前記LC層の常光屈折率であり、nは、前記LC層の異常光屈折率であり、φは、前記LC層の液晶ダイレクタのねじれ角であり、λは、前記光の波長であり、波長λは350nmから750nmの範囲内である、光学デバイス。
An optical device for use in eyewear, the optical device comprising a first electro-active lens for adjustable transmission of light, the electro-active lens comprising - first and second optical lenses. a transparent substrate, wherein the first and second optically transparent substrates extend generally parallel to each other and define an axial (z) and a transverse direction (x,y); a transparent substrate,
- a diffractive lens structure, such as a Fresnel lens structure, arranged between the first optically transparent substrate and the second optically transparent substrate on the side of the second optically transparent substrate;
- a first optically transparent electrode formed on the first optically transparent substrate and a second optically transparent electrode formed on the second optically transparent substrate or on the diffractive lens structure; ,
- a sealed cavity (108) between the first optically transparent substrate and the second optically transparent substrate, in which the diffractive lens structure and the nematic liquid crystal are arranged; at least one LC layer of a (LC) material is disposed, the liquid crystals in the nematic liquid crystal (LC) material being generally axially aligned in an off state;
The first optically transparent electrode has a contact surface in contact with the LC layer and linearly directs the liquid crystal in the nematic liquid crystal material in the on state in a first horizontal direction by introducing a pretilt in the off state. a sealed cavity (108) comprising an alignment layer configured to align the
a polarizing element configured to condition light having a polarization in a second horizontal direction that is perpendicular to the first horizontal direction;
Equipped with
The LC layer of nematic liquid crystal material is measured between the part of the diffractive lens structure closest to the first optically transparent electrode and the contact surface of the alignment layer on the first optically transparent electrode. has a thickness (D) of
The thickness (D) is selected to satisfy the condition 1<(πD(n e −n o )/(φλ)<200, where n o is the ordinary refractive index of the LC layer, and n e is , is the extraordinary refractive index of the LC layer, φ is the twist angle of the liquid crystal director of the LC layer, λ is the wavelength of the light, and the wavelength λ is in the range of 350 nm to 750 nm. device.
前記第2の光学的透明基板の側において前記第1の光学的透明基板と前記第2の光学的透明基板との間に配置されている前記回折レンズ構造は、前記第2の光学的透明電極に配置される、請求項1に記載の光学レンズ。 The diffractive lens structure, which is arranged between the first optically transparent substrate and the second optically transparent substrate on the side of the second optically transparent substrate, is arranged between the second optically transparent electrode and the second optically transparent electrode. The optical lens according to claim 1, wherein the optical lens is arranged in a. 前記偏光要素は、前記第1の電気活性レンズ上に積み重ねられた第2の電気活性レンズを含み、前記第1の電気活性レンズの前記第2の光学的透明層は、前記LC層と接触する接触表面を有し、前記ネマチック液晶材料中の液晶を第1の水平方向に直線的に整列させるように構成されている整列層を含み、前記第2の電気活性レンズの前記第2の光学的透明層は、前記LC層と接触する接触表面を有し、前記ネマチック液晶材料中の液晶を第2の水平方向に直線的に整列させるように構成されている整列層を含み、前記第1の水平方向は、前記第2の水平方向に垂直である、請求項1または2に記載の光学レンズ。 The polarizing element includes a second electro-active lens stacked on the first electro-active lens, and the second optically transparent layer of the first electro-active lens is in contact with the LC layer. an alignment layer having a contact surface and configured to linearly align liquid crystals in the nematic liquid crystal material in a first horizontal direction; The transparent layer includes an alignment layer having a contact surface in contact with the LC layer and configured to linearly align the liquid crystals in the nematic liquid crystal material in a second horizontal direction; The optical lens according to claim 1 or 2, wherein the horizontal direction is perpendicular to the second horizontal direction. 前記第1および第2の電気活性レンズは、互いに面するそれぞれの第1の光学的透明基板とともに積み重ねられ、および/または前記第1および前記第2の電気活性レンズは、前記第2の光学的透明基板がスタックの外側に配置され、前記第1の光学的透明基板が前記スタックの内側に配置されるように相互に積み重ねられる、請求項3に記載の光学デバイス。 The first and second electro-active lenses are stacked with respective first optically transparent substrates facing each other, and/or the first and second electro-active lenses are stacked with the respective first optically transparent substrates facing each other, and/or the first and second electro-active lenses are 4. The optical device of claim 3, stacked on top of each other such that a transparent substrate is placed on the outside of the stack and the first optically transparent substrate is placed on the inside of the stack. 前記第1の電気活性レンズの前記第1の光学的透明基板および前記第2の電気活性レンズの前記第1の光学的透明基板は、単一の共通の光学的透明基板へと組み合わされる、請求項3または4に記載の光学デバイス。 4. The first optically transparent substrate of the first electro-active lens and the first optically transparent substrate of the second electro-active lens are combined into a single common optically transparent substrate. Item 4. The optical device according to item 3 or 4. 前記第1の電気活性レンズの屈折力は、前記第2の電気活性レンズの屈折力に対応する、請求項3または4に記載の光学デバイス。 5. An optical device according to claim 3 or 4, wherein the refractive power of the first electro-active lens corresponds to the refractive power of the second electro-active lens. 前記回折レンズ構造は、フレネルレンズ構造であり、前記第1の電気活性レンズの前記フレネルレンズ構造のブレイズ軸方向高さおよび/またはブレイズ横断方向位置は、前記第2の電気活性レンズの前記フレネルレンズ構造のブレイズ軸方向高さおよび/またはブレイズ横断方向位置と少なくとも部分的に異なる、請求項3から6のいずれか一項に記載の光学デバイス。 The diffractive lens structure is a Fresnel lens structure, and the blaze axial height and/or blaze transverse position of the Fresnel lens structure of the first electro-active lens is greater than the Fresnel lens structure of the second electro-active lens. 7. Optical device according to any one of claims 3 to 6, at least partially different from the blaze axial height and/or blaze transverse position of the structure. 前記第1の電気活性レンズの前記回折レンズ構造は、前記第2の電気活性レンズの前記回折レンズ構造に面する、請求項3から7のいずれか一項に記載の光学デバイス。 8. An optical device according to any one of claims 3 to 7, wherein the diffractive lens structure of the first electro-active lens faces the diffractive lens structure of the second electro-active lens. 前記第1および第2の電気活性レンズは、同一である、請求項3から8のいずれか一項に記載の光学デバイス。 9. An optical device according to any one of claims 3 to 8, wherein the first and second electro-active lenses are identical. 前記第1の電気活性レンズの前記ネマチック液晶材料は、前記第2の電気活性レンズの前記ネマチック液晶材料と異なる、請求項3から9のいずれか一項に記載の光学デバイス。 10. An optical device according to any one of claims 3 to 9, wherein the nematic liquid crystal material of the first electro-active lens is different from the nematic liquid crystal material of the second electro-active lens. 第1の直線偏光を有する光が通過することを許し、前記第1の直線偏光に垂直な第2の直線偏光を有する光を実質的に遮断するように構成された直線偏光子を備え、前記直線偏光子は、前記第1の直線偏光が、前記第1の光学的透明電極の近くの位置における液晶層内の前記液晶の前記整列に実質的に平行になるように整列される、請求項1または2に記載の光学デバイス。 a linear polarizer configured to allow light having a first linear polarization to pass therethrough and substantially blocking light having a second linear polarization perpendicular to the first linear polarization; 5. The linear polarizer is aligned such that the first linearly polarized light is substantially parallel to the alignment of the liquid crystal in the liquid crystal layer at a location proximate the first optically transparent electrode. 3. The optical device according to 1 or 2. 前記第1の直線偏光は、第1の横断方向(x)に平行であり、前記第2の直線偏光は、前記第1の横断方向に垂直な、第2の横断方向(y)に平行である、請求項11に記載の光学デバイス。 The first linearly polarized light is parallel to a first transverse direction (x) and the second linearly polarized light is parallel to a second transverse direction (y) perpendicular to the first transverse direction. 12. The optical device of claim 11. 前記直線偏光子は、前記第1の光学的透明基板および/または前記第1の光学的透明電極に取り付けられた1つまたは複数の偏光層を含み、好ましくは、前記整列層に取り付けられた、前記整列層の整列方向に整列された偏光層を含む、請求項11または12に記載の光学デバイス。 The linear polarizer comprises one or more polarizing layers attached to the first optically transparent substrate and/or the first optically transparent electrode, preferably attached to the alignment layer. The optical device according to claim 11 or 12, comprising a polarizing layer aligned in the alignment direction of the alignment layer. 前記LC層に面する前記回折レンズ構造の表面上に形成された少なくとも1つの偏光層を備え、前記少なくとも1つのさらなる偏光層の偏光ダイレクタは、レンズ表面の局所的な前記液晶ダイレクタと一致するように前記回折レンズ構造の異なる領域内で調整される、請求項11から13のいずれか一項に記載の光学デバイス。 at least one polarizing layer formed on the surface of the diffractive lens structure facing the LC layer, the polarization director of the at least one further polarizing layer being aligned with the local liquid crystal director of the lens surface. 14. An optical device according to any one of claims 11 to 13, wherein the diffractive lens structure is tuned within different regions of the diffractive lens structure. 回折要素または前記第2の光学的透明電極は、前記オフ状態においてプレチルトを導入することによってオン状態において前記第1の水平方向において前記ネマチック液晶材料内の液晶を直線的に整列するように構成されているさらなる整列層を備える、請求項1から14のいずれか一項に記載の光学デバイス。 The diffractive element or the second optically transparent electrode is configured to linearly align liquid crystals within the nematic liquid crystal material in the first horizontal direction in the on state by introducing a pretilt in the off state. 15. An optical device according to any one of claims 1 to 14, comprising a further alignment layer. 前記少なくとも1つの電気活性レンズは、前記光学的透明電極に対する電圧の印加時に、前記LC層内の液晶の前記整列を変化させることによって光の集光または分散を調整するように構成される、請求項1から15のいずれか一項に記載の光学デバイス。 5. The at least one electro-active lens is configured to adjust the focusing or dispersion of light by changing the alignment of liquid crystals in the LC layer upon application of a voltage to the optically transparent electrode. 16. The optical device according to any one of Items 1 to 15. 前記少なくとも1つの電気活性レンズは、前記光学的透明電極に対する電圧の印加時に、前記横断方向において前記LC層の屈折率を変化させることによって前記電気活性レンズの屈折力を変化させるように構成される、請求項1から16のいずれか一項に記載の光学デバイス。 The at least one electro-active lens is configured to change the refractive power of the electro-active lens by changing the refractive index of the LC layer in the transverse direction upon application of a voltage to the optically transparent electrode. , an optical device according to any one of claims 1 to 16. 前記少なくとも1つの電気活性レンズの前記光学的透明電極に対する電圧の印加時に、前記少なくとも1つの電気活性レンズが実質的にレンズ作用を示さないオフ状態から、前記少なくとも1つの電気活性レンズがレンズ作用を示すオン状態に、前記少なくとも1つの電気活性レンズに切り替えさせるように構成される、請求項16または17に記載の光学デバイス。 Upon application of a voltage to the optically transparent electrode of the at least one electro-active lens, the at least one electro-active lens exhibits lens action from an off state in which the at least one electro-active lens exhibits substantially no lens action. 18. An optical device according to claim 16 or 17, configured to cause the at least one electro-active lens to switch to the on-state shown. 前記オフ状態では、前記ネマチック液晶材料中の前記液晶は、前記横断方向における前記LC層の屈折率が前記回折折レンズ構造の屈折率と実質的に一致するように配向され、および/または前記オン状態では、前記液晶の前記配向は、前記配向が前記整列層の整列方向と平行になるように傾けられる、請求項1から18のいずれか一項に記載の光学デバイス。 In the off state, the liquid crystal in the nematic liquid crystal material is oriented such that the refractive index of the LC layer in the transverse direction substantially matches the refractive index of the diffractive lens structure, and/or in the on state 19. An optical device according to any one of claims 1 to 18, in which the orientation of the liquid crystal is tilted such that the orientation is parallel to the alignment direction of the alignment layer. 前記第2の光学的透明電極上の前記回折要素には、前記LC層に面する整列層が設けられる、請求項1から19のいずれか一項に記載の光学デバイス。 20. Optical device according to any one of claims 1 to 19, wherein the diffractive element on the second optically transparent electrode is provided with an alignment layer facing the LC layer. 前記電気活性レンズの前記光学的透明電極は、前記第1の電気活性レンズと前記第2の電気活性レンズとを同時に切り替えるように電気的に接続される、請求項1から20のいずれか一項に記載の光学デバイス。 21. Any one of claims 1 to 20, wherein the optically transparent electrodes of the electro-active lens are electrically connected to simultaneously switch the first electro-active lens and the second electro-active lens. Optical device described in. 複数のスペーサが、液晶層中に配置され、前記第2の光学的透明電極が延在する平面に対して垂直な方向に延在し、前記スペーサは、好ましくは、前記回折レンズ構造上に形成される、請求項1から21のいずれか一項に記載の光学デバイス。 A plurality of spacers are arranged in the liquid crystal layer and extend in a direction perpendicular to the plane in which the second optically transparent electrode extends, the spacers preferably being formed on the diffractive lens structure. 22. An optical device according to any one of claims 1 to 21. 前記スペーサは、前記第2の光学的透明基板に最も近い前記回折レンズ構造の前記部分から測定されたときに、1~20μm、好ましくは、2~12μmの間である、追加の高さを提供するように構成される、請求項22に記載の光学デバイス。 The spacer provides an additional height of between 1 and 20 μm, preferably between 2 and 12 μm, when measured from the part of the diffractive lens structure closest to the second optically transparent substrate. 23. The optical device of claim 22, configured to. 前記少なくとも1つの電気活性レンズの前記ネマチック液晶材料は、0.15~0.40の範囲内にある複屈折率Δnを有する、請求項1から23のいずれか一項に記載の光学デバイス。 Optical device according to any one of claims 1 to 23, wherein the nematic liquid crystal material of the at least one electro-active lens has a birefringence Δn lying in the range 0.15 to 0.40. 前記光学デバイスは、光の偏光独立の透過を提供するように構成される、請求項1から24のいずれか一項に記載の光学デバイス。 25. An optical device according to any preceding claim, wherein the optical device is configured to provide polarization-independent transmission of light. 眼鏡類において使用するためのレンズユニットであって、前記レンズユニットは、第1のレンズ部品と、第2のレンズ部品と、請求項1から25のいずれか一項に記載の光学デバイスとを備え、前記電気活性レンズは、前記第1のレンズ部品と前記第2のレンズ部品との間に配置され、好ましくは、挟装される、レンズユニット。 A lens unit for use in eyeglasses, the lens unit comprising a first lens component, a second lens component, and an optical device according to any one of claims 1 to 25. , wherein the electro-active lens is arranged, preferably sandwiched, between the first lens part and the second lens part. 請求項26に記載の第1および第2のレンズユニット、または請求項1から25のいずれか一項に記載の第1および第2の光学デバイスが装着されるフレームを備える、眼鏡。 Eyeglasses comprising a frame on which the first and second lens units according to claim 26 or the first and second optical devices according to any one of claims 1 to 25 are mounted. 請求項1から25のいずれか一項に記載の光学デバイスの使用。 Use of an optical device according to any one of claims 1 to 25. 交流電圧が、前記第1の電気活性レンズおよび前記第1の電気活性レンズ上に積み重ねられた前記第2の電気活性レンズの前記第1および第2の光学的透明電極に印加されて、前記第1および第2の光学的透明基板に実質的に垂直な方向に前記液晶を整列する、請求項3から10のいずれか一項に記載の光学デバイスを動作させる方法。 An alternating current voltage is applied to the first and second optically transparent electrodes of the first electro-active lens and the second electro-active lens stacked on the first electro-active lens to 11. A method of operating an optical device according to any one of claims 3 to 10, comprising aligning the liquid crystal in a direction substantially perpendicular to the first and second optically transparent substrates.
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